Netty框架之编解码机制一（ByteBuf以及Tcp粘包拆包）

Posted 2021-08-29 木兮君

前言

继上次文章后小编很久都没有发布文章了，已经一个多月了，小编还是要努力更新的，最近确实比较忙，并且台风烟花也过来了，愿各地灾情早点过去吧！好了话不多说，今天继续我们的netty的编解码机制。在编解码之前，我们先说一下netty的ByteBuf，以及tcp的粘包和拆包。

netty核心组件之ByteBuf

上篇文章中Netty框架之核心组件，主要讲了Netty Channel，ChannelPipeline等重要组件，但是小编忘记了一个、那就是ByteBuf。那小编首先带大家了解一下netty的ByteBuf。讲到ByteBuf大家是否还有印象nio中的ByteBuf。不过netty的ByteBuf不是在nio的ByteBuf上进行封装（这话有点饶），而是重新定义了一个ByteBuf。先看下图来了解一下吧：

小编简单说明：
特性：
1、和nio的bytebuf不一样，他有读写双索引，不像nio的只有一个索引position，读和写都是往前，写好还需要flip进行读取。这样操作跟简单。
2、手动释放回收。
3、复制视图，和源ByteBuf共享一份数据，但是对视图的读写索引进行单独操作不会对源ByteBuf的索引进行改变。
4、自动扩容，相对于nio的ByteBuf一旦确认大小不可修改外，他可以自动扩容，但是不可以超过最大容量。
结构：
1、维护读写索引，默认为0，写数据的时候，写索引往前加，读数据一样往前加，读的区域为写的索引，且判断可读只需要readerIndex < writerIndex。并且可读区域也很明显。如果读取的索引大于写的索引则就会报错。
2、当writerIndex到达一开始设置的capacity时，则会自动扩容，但是扩容不会超过max capacity。

下面小编通过代码来演示一下ByteBuf:

public class ByteBufTest {
    @Test
    public void byteBufRwTest() {
        //声明缓冲区
        int initialCapacity = 5;
        int maxCapacity = 100;
        ByteBuf buffer = Unpooled.buffer(initialCapacity, maxCapacity);
        buffer.writeByte(1);
        buffer.writeByte(2);
        buffer.readByte();
        buffer.readByte();
        //再次读取就报数组越界异常
        try {
            buffer.readByte();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        buffer.writeByte(3);
        buffer.writeByte(4);
        buffer.writeByte(5);
        //回收缓存空间，并且将读索引返回到0，即释放读过的数据
        //并且将345上移到012的索引位置，写索引变成3，则下面的写入扩容不会进行
        //并且不会改变原来写入的数据即3和4的索引位置还是4和5
        buffer.discardReadBytes();
        //不进行上面回收操作，则进行扩容 扩容后为64
        buffer.writeByte(6);
        System.out.println(buffer.capacity());

    }
    @Test
    public void copyTest(){
        ByteBuf buffer = Unpooled.wrappedBuffer(new byte[]{1,2,3,4,5});
        //复制视图
        ByteBuf duplicate = buffer.duplicate();
        //操作视图的读索引不会影响到源buffer
        duplicate.readByte();
        //设置会改变原buffer的值
        duplicate.setByte(4,6);
        //复制可读的缓冲区域
        ByteBuf slice = buffer.slice();
        //复制可读范围索引，范围超出会报错
        ByteBuf slice2 = buffer.slice(1,4);
        //复制一个值并且移动了原来buffer读索引+1
        ByteBuf slice3 = buffer.readSlice(1);
        //完全copy了一份新的byteBuf
        ByteBuf copy = buffer.copy();
    }
}

好了ByteBuf大家知道怎么用了并且了解其特性与数据结构即可，下面小编再来聊聊TCP的拆包和粘包。

TCP拆包与粘包

讲到TCP拆包和粘包问题，也是面试中比较常见的问题，咱们先来看下面这张图：

小编先给大家解释一下上图：
1、红色是一个消息，绿色是一个消息，但是这tcp流式传输的时候，是没有边界的，也就是说他区分不了两个消息，他只会不停的往缓存区里面写，应用（解码处理器）不停的往里面拿数据。
2、粘包即上面在传输过程中红色和绿色在一起，到了缓冲区则需要拆包，即解码处理的时候只读了绿色的消息块。这与udp不一样udp是一个消息一个消息的传输。当然返回来也一样，如果一个消息太大，那tcp传输的过程中就会将消息拆包。

下面小编模拟一下拆包和粘包的过程：
服务端代码如下

public class PacketSplicingTest {
    private ServerBootstrap serverBootstrap;

    @Before
    public void initSocketServer() {
        serverBootstrap = new ServerBootstrap();
        serverBootstrap.group(new NioEventLoopGroup(1), new NioEventLoopGroup(5));
        serverBootstrap.channel(NioserverSocketChannel.class);
    }

    @Test
    public void splicingTest() throws InterruptedException {

        serverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<Channel>() {
            @Override
            protected void initChannel(Channel ch) throws Exception {
                ch.pipeline().addLast(new TrackHandler());
            }
        });
        ChannelFuture sync = serverBootstrap.bind(8080).sync();
        sync.channel().closeFuture().sync();

    }

    private class TrackHandler extends SimpleChannelInboundHandler {
        int count = 0;

        @Override
        protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
            ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg;
            String message = byteBuf.toString(Charset.defaultCharset());
            System.out.println(String.format("message%s:%s", ++count, message));
        }
    }
}

测试

控制台：

这里很直观的看到粘包和拆包的结果，当然这里小编设置了发送的缓存区和发送的大小。那假如消息出现这样的情况，那我们怎么来解决粘包和拆包的问题呢。

拆包粘包的解决方案

解决粘包拆包的问题，其实最主要的是约定客户端的发送消息，以及服务端解析消息的规则。这样即可，看起来很简单对吧。
1、固定长度：最简单的方式。消息端发送消息发送固定长度，不能大于或小于这个长度，服务端就读取固定长度，这种场景一般是心跳保活场景。假设消息长度不固定则不适用了。
2、消息分割：特殊字符的分割，比方说换行符号拆分。
3、请求头，标示大小：消息分割场景太过单一，万一需要用到特殊字符的时候则很难区分，那么就会产生自定义协议，目前websocket协议，dubbo协议以及http协议都是采用此方法。

小结：

这篇文章出炉的时候和写的时候又过去一个多星期，从郑州的洪水到浙江的台风到现在南京的新冠疫情又严重了，目前是奥运会看得小编很气愤。
上面是题外话啊，下面几篇文章都是会对netty框架的应用，这篇文章比较简单，大家继续打好基础，之后将会是大量的应用场景，包括了http的简易协议怎么处理的，包括dubbo协议等等。让你从网络架构的高层俯瞰如何定义，以及一系列应用场景的编码。小编还是继续努力，不偷懒一直学习下去。