Netty详解之整体架构

Posted 2021-08-02 架构师

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Netty详解之整体架构相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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1. 概述

Netty是JBoss出品的高效的Java NIO开发框架，本文将主要分析Netty实现方面的东西。

Netty总体架构图：

2. Buffer

org.jboss.netty.buffer包的接口及类的结构图如下：
Netty详解之整体架构

2.1 Channel Buffer的种类

Netty使用ChannelBuffer来存储并操作读写的网络数据。ChannelBuffer除了提供和ByteBuffer类似的方法，还提供了一些实用方法，具体可参考其API文档。ChannelBuffer的实现类有多个，这里列举其中主要的几个：

HeapChannelBuffer：这是Netty读网络数据时默认使用的ChannelBuffer，这里的Heap就是Java堆的意思，因为读SocketChannel的数据是要经过ByteBuffer的，而ByteBuffer实际操作的就是个byte数组，所以 ChannelBuffer的内部就包含了一个byte数组，使得ByteBuffer和ChannelBuffer之间的转换是零拷贝方式。根据网络字节续的不同，HeapChannelBuffer又分为BigEndianHeapChannelBuffer和 LittleEndianHeapChannelBuffer，默认使用的是BigEndianHeapChannelBuffer。Netty在读网络数据时使用的就是HeapChannelBuffer，HeapChannelBuffer是个大小固定的buffer，为了不至于分配的Buffer的大小不太合适，Netty在分配Buffer时会参考上次请求需要的大小。

DynamicChannelBuffer：相比于HeapChannelBuffer，DynamicChannelBuffer可动态自适应大小。对于在DecodeHandler中的写数据操作，在数据大小未知的情况下，通常使用DynamicChannelBuffer。

ByteBufferBackedChannelBuffer：这是directBuffer，直接封装了ByteBuffer的 directBuffer。

2.2 Buufer的读写策略

对于读写网络数据的buffer，分配策略有两种：

通常出于简单考虑，直接分配固定大小的buffer，缺点是，对一些应用来说这个大小限制有时是不合理的，并且如果buffer的上限很大也会有内存上的浪费。

针对固定大小的buffer缺点，就引入动态buffer，动态buffer之于固定 buffer相当于List之于Array。

buffer的寄存策略常见的也有两种（其实是我知道的就限于此）：

在多线程（线程池）模型下，每个线程维护自己的读写buffer，每次处理新的请求前清空buffer（或者在处理结束后清空），该请求的读写操作都需要在该线程中完成。

buffer和socket绑定而与线程无关。两种方法的目的都是为了重用buffer。

Netty对buffer的处理策略是：读请求数据时，Netty首先读数据到新创建的固定大小的HeapChannelBuffer中，当HeapChannelBuffer满或者没有数据可读时，调用handler来处理数据，这通常首先触发的是用户自定义的DecodeHandler，因为handler对象是和ChannelSocket 绑定的，所以在DecodeHandler里可以设置ChannelBuffer成员，当解析数据包发现数据不完整时就终止此次处理流程，等下次读事件触发时接着上次的数据继续解析。就这个过程来说，和ChannelSocket绑定的DecodeHandler中的Buffer通常是动态的可重用 Buffer（DynamicChannelBuffer），而在NioWorker中读ChannelSocket中的数据的buffer是临时分配的固定大小的HeapChannelBuffer，这个转换过程是有个字节拷贝行为的。

2.3 ChannelBufferFactory

对ChannelBuffer的创建，Netty内部使用的是ChannelBufferFactory接口，具体的实现有 DirectChannelBufferFactory和HeapChannelBufferFactory。对于开发者创建 ChannelBuffer，可使用实用类ChannelBuffers中的工厂方法。

3. Channel

和Channel相关的接口及类结构图如下：
Netty详解之整体架构

从该结构图也可以看到，Channel主要提供的功能如下：

当前Channel的状态信息，比如是打开还是关闭等。

通过ChannelConfig可以得到的Channel配置信息。

Channel所支持的如read、write、bind、connect等IO操作。

得到处理该Channel的ChannelPipeline，既而可以调用其做和请求相关的IO操作。

在Channel实现方面，以通常使用的nio socket来说，Netty中的NioserverSocketChannel和NioSocketChannel分别封装了java.nio中包含的 ServerSocketChannel和SocketChannel的功能。

4. ChannelEvent

如前所述，Netty是事件驱动的，其通过ChannelEvent来确定事件流的方向。一个ChannelEvent是依附于Channel的 ChannelPipeline来处理，并由ChannelPipeline调用ChannelHandler来做具体的处理。下面是和 ChannelEvent相关的接口及类图：

Netty详解之整体架构

对于使用者来说，在ChannelHandler实现类中会使用继承于ChannelEvent的MessageEvent，调用其 getMessage()方法来获得读到的ChannelBuffer或被转化的对象。

4. ChannelPipeline

Netty 在事件处理上，是通过ChannelPipeline来控制事件流，通过调用注册其上的一系列ChannelHandler来处理事件，这也是典型的拦截器模式。下面是和ChannelPipeline相关的接口及类图：

Netty详解之整体架构

事件流有两种，upstream事件和downstream事件。在ChannelPipeline中，其可被注册的ChannelHandler既可以是 ChannelUpstreamHandler 也可以是ChannelDownstreamHandler ，但事件在ChannelPipeline传递过程中只会调用匹配流的ChannelHandler。在事件流的过滤器链中，ChannelUpstreamHandler或ChannelDownstreamHandler既可以终止流程，也可以通过调用 ChannelHandlerContext.sendUpstream(ChannelEvent)或 ChannelHandlerContext.sendDownstream(ChannelEvent)将事件传递下去。下面是事件流处理的图示：

Netty详解之整体架构

从上图可见，upstream event是被Upstream Handler们自底向上逐个处理，downstream event是被Downstream Handler们自顶向下逐个处理，这里的上下关系就是向ChannelPipeline里添加Handler的先后顺序关系。简单的理解，upstream event是处理来自外部的请求的过程，而downstream event是处理向外发送请求的过程。

服务端处理请求的过程通常就是解码请求、业务逻辑处理、编码响应，构建的ChannelPipeline也就类似下面的代码片断

4.1 ChannelPipeline中编码解码Handler

 
   
   
 
  
    
    
   
    
     
      
      
      
      
     
    ChannelPipeline pipeline = Channels.pipeline();pipeline.addLast("decoder", new MyProtocolDecoder());pipeline.addLast("encoder", new MyProtocolEncoder());pipeline.addLast("handler", new MyBusinessLogicHandler());

其中，MyProtocolDecoder是ChannelUpstreamHandler类型，MyProtocolEncoder是 ChannelDownstreamHandler类型，MyBusinessLogicHandler既可以是 ChannelUpstreamHandler类型，也可兼ChannelDownstreamHandler类型，视其是服务端程序还是客户端程序以及应用需要而定。

补充一点，Netty对抽象和实现做了很好的解耦。像org.jboss.netty.channel.socket包，定义了一些和socket处理相关的接口，而org.jboss.netty.channel.socket.nio、 org.jboss.netty.channel.socket.oio等包，则是和协议相关的实现。

5. codec framework

对于请求协议的编码解码，当然是可以按照协议格式自己操作ChannelBuffer中的字节数据。另一方面，Netty也做了几个很实用的codec helper，这里给出简单的介绍。

FrameDecoder：FrameDecoder内部维护了一个 DynamicChannelBuffer成员来存储接收到的数据，它就像个抽象模板，把整个解码过程模板写好了，其子类只需实现decode函数即可。FrameDecoder的直接实现类有两个：（1）DelimiterBasedFrameDecoder是基于分割符（比如\r\n）的解码器，可在构造函数中指定分割符。（2）LengthFieldBasedFrameDecoder是基于长度字段的解码器。如果协议格式类似“内容长度”+内容、“固定头”+“内容长度”+动态内容这样的格式，就可以使用该解码器，其使用方法在API DOC上详尽的解释。

ReplayingDecoder：它是FrameDecoder的一个变种子类，它相对于FrameDecoder是非阻塞解码。也就是说，使用 FrameDecoder时需要考虑到读到的数据有可能是不完整的，而使用ReplayingDecoder就可以假定读到了全部的数据。

ObjectEncoder 和ObjectDecoder：编码解码序列化的Java对象。

HttpRequestEncoder和 HttpRequestDecoder：http协议处理。

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