Netty学习-02（粘包 解包 FrameDecoder）

1、简介
Java1.4提供了NIO使开发者可以使用Java编写高性能的服务端程序，但使用原生的NIO API就像Linux C中网络编程一样，还是需要做IO处理、协议处理等低层次工作。所以，就像C服务端程序大量使用libevent作为网络应用框架一样，Java社区也不断涌现出基于NIO的网络应用框架。在这其中，Jboss出品的Netty就是个中翘楚。Netty是个异步的事件驱动网络应用框架，具有高性能、高扩展性等特性。Netty提供了统一的底层协议接口，使得开发者从底层的网络协议（比如TCP/IP、UDP）中解脱出来。就使用来说，开发者只要参考 Netty提供的若干例子和它的指南文档，就可以放手开发基于Netty的服务端程序了。

在Java社区，最知名的开源Java NIO框架要属Mina和Netty，而且两者渊源颇多，对两者的比较自然不少。实际上，Netty的作者原来就是Mina作者之一，所以可以想到，Netty和Mina在设计理念上会有很多共同点。我对Mina没什么研究，但其作者介绍，Netty的设计对开发者有更友好的扩展性，并且性能方面要优于Mina，而Netty完善的文档也很吸引人。所以，如果你在寻找Java NIO框架，Netty是个很不错的选择。本文的内容就是围绕一个demo介绍使用Netty的点点滴滴。

2、服务端程序

2.1、ChannelHandler
服务端程序通常的处理过程是：解码请求数据、业务逻辑处理、编码响应。从框架角度来说，可以提供3个接口来控制并调度该处理过程；从更通用的角度来说，并不特化处理其中的每一步，而把每一步当做过滤器链中的一环，这也是Netty的做法。Netty对请求处理过程实现了过滤器链模式（ChannelPipeline），每个过滤器实现了ChannelHandler接口。Netty中有两种请求事件流类型也做了细分：

1）downstream event：其对应的ChannelHandler子接口是ChannelDownstreamHandler。downstream event是说从头到尾执行ChannelPipeline中的ChannelDownstreamHandler，这一过程相当于向外发送数据的过程。 downstream event有：”write”、”bind”、”unbind”、 “connect”、 “disconnect”、”close”。

2）upstream event：其对应的ChannelHandler子接口是ChannelUpstreamHandler。upstream event处理的事件方向和downstream event相反，这一过程相当于接收处理外来请求的过程。upstream event有：”messageReceived”、 “exceptionCaught”、”channelOpen”、”channelClosed”、 “channelBound”、”channelUnbound”、 “channelConnected”、”writeComplete”、”channelDisconnected”、”channelInterestChanged”。

Netty中有个注释@interface ChannelPipelineCoverage，它表示被注释的ChannelHandler是否能添加到多个ChannelPipeline中，其可选的值是”all”和”one”。”all”表示ChannelHandler是无状态的，可被多个ChannelPipeline共享，而”one”表示ChannelHandler只作用于单个ChannelPipeline中。但ChannelPipelineCoverage只是个注释而已，并没有实际的检查作用。对于ChannelHandler是”all”还是”one”，还是根据逻辑需要而定。比如，像解码请求handler，因为可能解码的数据不完整，需要等待下一次读事件来了之后再继续解析，所以解码请求handler就需要是”one”的（否则多个Channel共享数据就乱了）。而像业务逻辑处理hanlder通常是”all”的。

下面以一个简单的例子说明如何编写“解码请求数据、业务逻辑处理、编码响应”这一过程中涉及的ChannelHandler。该例子实现的协议格式很简单，请求和响应流中[color=red]头4个字节表示后面跟的内容长度，根据该长度可得到内容体[/color]。

首先看下解码器的实现：

public class MessageDecoder extends FrameDecoder {
 
    @Override
    protected Object decode(
            ChannelHandlerContext ctx, Channel channel, ChannelBuffer buffer) throws Exception {
        if (buffer.readableBytes() < 4) {
            return null;//(1)
        }
        int dataLength = buffer.getInt(buffer.readerIndex());
        if (buffer.readableBytes() < dataLength + 4) {
            return null;//(2)
        }
 
        buffer.skipBytes(4);//(3)
        byte[] decoded = new byte[dataLength];
        buffer.readBytes(decoded);
        String msg = new String(decoded);//(4)
        return msg;
    }
}

MessageDecoder继承自FrameDecoder，FrameDecoder是Netty codec包中的辅助类，它是个ChannelUpstreamHandler，decode方法是FrameDecoder子类需要实现的。在上面的代码中，有：

(1)检查ChannelBuffer中的字节数，如果ChannelBuffer可读的字节数少于4,则返回null等待下次读事件。
(2)继续检查ChannelBuffer中的字节数，如果ChannelBuffer可读的字节数少于dataLength + 4，则返回null等待下次读事件。
(3)越过dataLength的字节。
(4)构造解码的字符串返回。

@ChannelPipelineCoverage("all")
public class MessageServerHandler extends SimpleChannelUpstreamHandler {
 
    private static final Logger logger = Logger.getLogger(
            MessageServerHandler.class.getName());
 
    @Override
    public void messageReceived(
            ChannelHandlerContext ctx, MessageEvent e) {
        if (!(e.getMessage() instanceof String)) {
            return;//(1)
        }
        String msg = (String) e.getMessage();
        System.out.println("got msg:"+msg);
        e.getChannel().write(msg);//(2)
    }
 
    @Override
    public void exceptionCaught(
            ChannelHandlerContext ctx, ExceptionEvent e) {
        logger.log(
                Level.WARNING,
                "Unexpected exception from downstream.",
                e.getCause());
        e.getChannel().close();
    }
}

MessageServerHandler是服务端业务处理handler，其继承自SimpleChannelUpstreamHandler，并主要实现messageReceived事件。关于该类，有如下注解：

(1)该upstream事件流中，首先经过MessageDecoder，其会将decode返回的解码后的数据构造成 MessageEvent.getMessage()，所以在handler上下文关系中，MessageEvent.getMessage()并不一定都返回ChannelBuffer类型的数据。
(2)MessageServerHandler只是简单的将得到的msg再写回给客户端。e.getChannel().write(msg);操作将触发DownstreamMessageEvent事件，也就是调用下面的MessageEncoder将编码的数据返回给客户端。

@ChannelPipelineCoverage("all")
public class MessageEncoder extends OneToOneEncoder {
 
    @Override
    protected Object encode(
            ChannelHandlerContext ctx, Channel channel, Object msg) throws Exception {
        if (!(msg instanceof String)) {
            return msg;//(1)
        }
 
        String res = (String)msg;
        byte[] data = res.getBytes();
        int dataLength = data.length;
        ChannelBuffer buf = ChannelBuffers.dynamicBuffer();//(2)
        buf.writeInt(dataLength);
        buf.writeBytes(data);
        return buf;//(3)
    }
}

MessageEncoder是个ChannelDownstreamHandler。对该类的注解如下：

(1)如果编码的msg不是合法类型，就直接返回该msg，之后OneToOneEncoder会调用 ctx.sendDownstream(evt);来调用下一个ChannelDownstreamHandler。对于该例子来说，这种情况是不应该出现的。
(2)开发者创建ChannelBuffer的用武之地就是这儿了，通常使用dynamicBuffer即可，表示得到的ChannelBuffer可动态增加大小。
(3)返回编码后的ChannelBuffer之后，OneToOneEncoder会调用Channels.write将数据写回客户端。

2.2、MessageServerPipelineFactory
创建了3个ChannelHandler，需要将他们注册到ChannelPipeline，而ChannelPipeline又是和Channel对应的（是全局单例还是每个Channel对应一个ChannelPipeline实例依赖于实现）。可以实现ChannelPipeline的工厂接口 ChannelPipelineFactory实现该目的。MessageServerPipelineFactory的代码如下：

public class MessageServerPipelineFactory implements
        ChannelPipelineFactory {
 
    public ChannelPipeline getPipeline() throws Exception {
        ChannelPipeline pipeline = pipeline();
 
        pipeline.addLast("decoder", new MessageDecoder());
        pipeline.addLast("encoder", new MessageEncoder());
        pipeline.addLast("handler", new MessageServerHandler());
 
        return pipeline;
    }
}

2.3、MessageServer
服务端程序就剩下启动代码了，使用Netty的ServerBootstrap三下五除二完成之。

public class MessageServer {
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // Configure the server.
        ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap(
                new NioServerSocketChannelFactory(
                        Executors.newCachedThreadPool(),
                        Executors.newCachedThreadPool()));
 
        // Set up the default event pipeline.
        bootstrap.setPipelineFactory(new MessageServerPipelineFactory());
 
        // Bind and start to accept incoming connections.
        bootstrap.bind(new InetSocketAddress(8080));
 
    }
}

稍加补充的是，该Server程序并不完整，它没有处理关闭时的资源释放，尽管暴力的来看并不一定需要做这样的善后工作。

3、客户端程序
客户端程序和服务端程序处理模型上是很相似的，这里还是付上代码并作简要说明。

3.1、 ChannelHandler
客户端是先发送数据到服务端（downstream事件流），然后是处理从服务端接收的数据（upstream事件流）。这里有个问题是，怎么把需要发送的数据送到downstream事件流里呢？这就用到了ChannelUpstreamHandler的channelConnected事件了。实现的 MessageClientHandler代码如下：

@ChannelPipelineCoverage("all")
public class MessageClientHandler extends SimpleChannelUpstreamHandler {
 
    private static final Logger logger = Logger.getLogger(
            MessageClientHandler.class.getName());
 
 
    @Override
    public void channelConnected(
            ChannelHandlerContext ctx, ChannelStateEvent e) {
        String message = "hello kafka0102";
        e.getChannel().write(message);
    }
 
    @Override
    public void messageReceived(
            ChannelHandlerContext ctx, MessageEvent e) {
        // Send back the received message to the remote peer.
        System.out.println("messageReceived send message "+e.getMessage());
        try {
            Thread.sleep(1000*3);
        } catch (Exception ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
        e.getChannel().write(e.getMessage());
    }
 
    @Override
    public void exceptionCaught(
            ChannelHandlerContext ctx, ExceptionEvent e) {
        // Close the connection when an exception is raised.
        logger.log(
                Level.WARNING,
                "Unexpected exception from downstream.",
                e.getCause());
        e.getChannel().close();
    }
}

对于编码和解码Handler，复用MessageEncoder和MessageDecoder即可。

3.2、 MessageClientPipelineFactory

MessageClientPipelineFactory
    public class MessageClientPipelineFactory implements
        ChannelPipelineFactory {
 
    public ChannelPipeline getPipeline() throws Exception {
        ChannelPipeline pipeline = pipeline();
 
        pipeline.addLast("decoder", new MessageDecoder());
        pipeline.addLast("encoder", new MessageEncoder());
        pipeline.addLast("handler", new MessageClientHandler());
 
        return pipeline;
    }
}

3.3、MessageClient

public class MessageClient {
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // Parse options.
        String host = "127.0.0.1";
        int port = 8080;
        // Configure the client.
        ClientBootstrap bootstrap = new ClientBootstrap(
                new NioClientSocketChannelFactory(
                        Executors.newCachedThreadPool(),
                        Executors.newCachedThreadPool()));
        // Set up the event pipeline factory.
        bootstrap.setPipelineFactory(new MessageClientPipelineFactory());
        // Start the connection attempt.
        ChannelFuture future = bootstrap.connect(new InetSocketAddress(host, port));
        // Wait until the connection is closed or the connection attempt fails.
        future.getChannel().getCloseFuture().awaitUninterruptibly();
        // Shut down thread pools to exit.
        bootstrap.releaseExternalResources();
    }
}

在写客户端例子时，我想像的代码并不是这样的，对客户端的代码我也没做过多的研究，所以也可能没有找到更好的解决方案。在上面的例子中，bootstrap.connect方法中会触发实际的连接操作，接着触发 MessageClientHandler.channelConnected，使整个过程运转起来。但是，我想要的是一个连接池，并且如何写数据也不应该在channelConnected中，这样对于动态的数据，只能在构造函数中传递需要写的数据了。但到现在，我还不清楚如何将连接池和 ChannelPipeline有效的结合起来。或许，这样的需求可以跨过Netty来实现。

4、总结
关于Netty的初步使用，尚且总结到这里。关于这篇文章，写得断断续续，以至于到后来我都没兴趣把内容都整理出来。当然，这多少也是因为我是先整理 Netty原理方面的东西所致。我也只能卑微的期望，该文对Netty入门者会有些许帮助。


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