netty解码器详解（小白也能看懂！）

Posted 2021-01-15 yuanrw

什么是编解码器？

　　首先，我们回顾一下netty的组件设计：Netty的主要组件有Channel、EventLoop、ChannelFuture、ChannelHandler、ChannelPipe等。

ChannelHandler

　　ChannelHandler充当了处理入站和出站数据的应用程序逻辑的容器。例如，实现ChannelInboundHandler接口（或ChannelInboundHandlerAdapter），你就可以接收入站事件和数据，这些数据随后会被你的应用程序的业务逻辑处理。当你要给连接的客户端发送响应时，也可以从ChannelInboundHandler冲刷数据。你的业务逻辑通常写在一个或者多个ChannelInboundHandler中。ChannelOutboundHandler原理一样，只不过它是用来处理出站数据的。

ChannelPipeline

　　ChannelPipeline提供了ChannelHandler链的容器。以客户端应用程序为例，如果事件的运动方向是从客户端到服务端的，那么我们称这些事件为出站的，即客户端发送给服务端的数据会通过pipeline中的一系列ChannelOutboundHandler，并被这些Handler处理，反之则称为入站的。

编码解码器

　　当你通过Netty发送或者接受一个消息的时候，就将会发生一次数据转换。入站消息会被解码：从字节转换为另一种格式（比如java对象）；如果是出站消息，它会被编码成字节。

　　Netty提供了一系列实用的编码解码器，他们都实现了ChannelInboundHadnler或者ChannelOutcoundHandler接口。在这些类中，channelRead方法已经被重写了。以入站为例，对于每个从入站Channel读取的消息，这个方法会被调用。随后，它将调用由已知解码器所提供的decode()方法进行解码，并将已经解码的字节转发给ChannelPipeline中的下一个ChannelInboundHandler。

解码器

抽象基类ByteToMessageDecoder

由于你不可能知道远程节点是否会一次性发送一个完整的信息，tcp有可能出现粘包拆包的问题，这个类会对入站数据进行缓冲，直到它准备好被处理。

主要api有两个：

public abstract class ByteToMessageDecoder extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    protected abstract void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception;

    protected void decodeLast(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {
        if (in.isReadable()) {
            // Only call decode() if there is something left in the buffer to decode.
            // See https://github.com/netty/netty/issues/4386
            decodeRemovalReentryProtection(ctx, in, out);
        }
    }
}

decode方法：

　　必须实现的方法，ByteBuf包含了传入数据，List用来添加解码后的消息。对这个方法的调用将会重复进行，直到确定没有新的元素被添加到该List，或者该ByteBuf中没有更多可读取的字节时为止。然后如果该List不会空，那么它的内容将会被传递给ChannelPipeline中的下一个ChannelInboundHandler。

decodeLast方法：

　　当Channel的状态变成非活动时，这个方法将会被调用一次。

 

最简单的例子：

public class ToIntegerDecoder extends ByteToMessageDecoder {
    @Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {
        if (in.readableBytes() >= 4) {
            out.add(in.readInt());
        }
    }
}

这个例子，每次入站从ByteBuf中读取4字节，将其解码为一个int，然后将它添加到下一个List中。当没有更多元素可以被添加到该List中时，它的内容将会被发送给下一个ChannelInboundHandler。int在被添加到List中时，会被自动装箱为Integer。在调用readInt()方法前必须验证所输入的ByteBuf是否具有足够的数据。

 

一个实用的例子：

public class MyDecoder extends ByteToMessageDecoder {
    @Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {
        if (in.readableBytes() < 4) {
            return;
        }
　　　　　//在读取前标记readerIndex
        in.markReaderIndex();
　　　　　//读取头部
        int length = in.readInt();
        if (in.readableBytes() < length) {
　　　　　//消息不完整，无法处理，将readerIndex复位
            in.resetReaderIndex();
            return;
        }
        out.add(in.readBytes(length).toString(CharsetUtil.UTF_8));
    }
}

 

抽象类ReplayingDecoder

public abstract class ReplayingDecoder<S> extends ByteToMessageDecoder

　　ReplayingDecoder扩展了ByteToMessageDecoder类，使用这个类，我们不必调用readableBytes()方法。参数S指定了用户状态管理的类型，其中Void代表不需要状态管理。

以上代码可以简化为：

public class MySimpleDecoder extends ReplayingDecoder<Void> {
    @Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {
        //传入的ByteBuf是ReplayingDecoderByteBuf
        //首先从入站ByteBuf中读取头部，得到消息体长度length，然后读取length个字节， 
        //并添加到解码消息的List中
        out.add(in.readBytes(in.readInt()).toString(CharsetUtil.UTF_8));
    }

如何实现的？

ReplayingDecoder在调用decode方法时，传入的是一个自定义的ByteBuf实现：

final class ReplayingDecoderByteBuf extends ByteBuf 

ReplayingDecoderByteBuf在读取数据前，会先检查是否有足够的字节可用，以readInt()为例：

final class ReplayingDecoderByteBuf extends ByteBuf {

    private static final Signal REPLAY = ReplayingDecoder.REPLAY;

    ......    

     @Override
    public int readInt() {
        checkReadableBytes(4);
        return buffer.readInt();
    }

    private void checkReadableBytes(int readableBytes) {
        if (buffer.readableBytes() < readableBytes) {
            throw REPLAY;
        }
    }  

    ......

}

如果字节数量不够，会抛出一个Error（实际是一个Signal public final class Signal extends Error implements Constant<Signal> ），然后会在上层被捕获并处理，它会把ByteBuf中的ReadIndex恢复到读之前的位置，以供下次读取。当有更多数据可供读取时，该decode()方法将会被再次调用。最终结果和之前一样，从ByteBuf中提取的String将会被添加到List中。

 

虽然ReplayingDecoder使用方便，但它也有一些局限性：

1. 并不是所有的 ByteBuf 操作都被支持，如果调用了一个不被支持的方法，将会抛出一个 UnsupportedOperationException。

2. ReplayingDecoder 在某些情况下可能稍慢于 ByteToMessageDecoder，例如网络缓慢并且消息格式复杂时，消息被拆成了多个碎片，于是decode()方法会被多次调用反复地解析一个消息。

3. 你需要时刻注意decode()方法在同一个消息上可能被多次调用.。

错误用法：

一个简单的echo服务，客户端在连接建立时，向服务端发送消息（两个1）。服务端需要一次拿到两个Integer，并做处理。

EchoServerHandler

public class EchoServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        System.out.println("msg from client: " + msg);
    }

    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        cause.printStackTrace();
        ctx.close();
    }
}

 

EchoClientHandler

public class EchoClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        System.out.println("sent to server: 11");
        ctx.writeAndFlush(1);
        
        Thread.sleep(1000);
        ctx.writeAndFlush(1);
    }

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
    }


    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        cause.printStackTrace();
        ctx.close();
    }
}

 

解码器

public class MyReplayingDecoder extends ReplayingDecoder<Void> {

    private final Queue<Integer> values = new LinkedList<>();

    @Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {
        values.add(in.readInt());
        values.add(in.readInt());

        assert values.size() == 2;

        out.add(values.poll() + values.poll());
    }
}

运行程序，就会发现断言失败。

我们通过在decode()方法中打印日志或者打断点的方式，可以看到，decode()方法是被调用了两次的，分别在服务端两次接受到消息的时候：

第一次调用时，由于缓冲区中只有四个字节，在第二句 values.add(in.readInt()) 中抛出了异常REPLAY，在ReplayingDecoder中被捕获，并复位ReadIndex。此时values.size() = 1。

第二次调用时，从头开始读取到两个Integer并放入values，因此values.size() = 3。

正确用法：

@Override
protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {
    //清空队列
    values.clear();
    values.add(in.readInt());
    values.add(in.readInt());

    assert values.size() == 2;

    out.add(values.poll() + values.poll());
}

 

如何提高ReplayingDecoder的性能？如上所说，使用ReplayingDecoder存在对一个消息多次重复解码的问题，我们可以通过Netty提供的状态控制来解决这个问题。

首先我们将消息结构设计为：header（4个字节，存放消息体长度），body（消息体）

根据消息的结构，我们定义两个状态：

public enum MyDecoderState {
    /**
     * 未读头部
     */
    READ_LENGTH,

    /**
     * 未读内容
     */
    READ_CONTENT;
}

EchoClientHandler

public class EchoClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("sent to server: msg" + i);
            ctx.writeAndFlush("msg" + i);
        }
    }

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
    }


    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        cause.printStackTrace();
        ctx.close();
    }
}

 

EchoServerHandler

public class EchoServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        System.out.println("msg from client: " +
            ((ByteBuf) msg).toString(CharsetUtil.UTF_8));
    }

    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        cause.printStackTrace();
        ctx.close();
    }
}

 

解码器

public class IntegerHeaderFrameDecoder extends ReplayingDecoder<MyDecoderState> {

    private int length;

    public IntegerHeaderFrameDecoder() {
        // Set the initial state.
        super(MyDecoderState.READ_LENGTH);
    }

    @Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {

        switch (state()) {
            case READ_LENGTH:
                length = in.readInt();
                checkpoint(MyDecoderState.READ_CONTENT);
            case READ_CONTENT:
                ByteBuf frame = in.readBytes(length);
                checkpoint(MyDecoderState.READ_LENGTH);
                out.add(frame);
                break;
            default:
                throw new Error("Shouldn‘t reach here.");
        }
    }
}

 

编码器

public class MyEncoder extends MessageToByteEncoder<String> {
    @Override
    protected void encode(ChannelHandlerContext ctx, String msg, ByteBuf out) throws Exception {
        byte[] b = msg.getBytes();
        int length = b.length;

        //write length of msg
        out.writeInt(length);

        //write msg
        out.writeBytes(b);
    }
}

当头部被成功读取到时，我们调用 checkpoint(MyDecoderState.READ_CONTENT) 设置状态为“未读消息”，相当于设置一个标志位，如果在后续读取时抛出异常，那么readIndex会被复位到上一次你调用checkpoint()方法的地方。下一次接收到消息，再次调用decode()方法时，就能够从checkpoint处开始读取，避免了又从头开始读。

更多解码器：

LineBasedFrameDecoder

这个类在Netty内部也有使用，它使用行尾控制字符（ 或者 ）作为分隔符来解析数据。

DelimiterBasedFrameDecoder

使用自定义的特殊字符作为消息的分隔符。

HttpObjectDecoder

一个HTTP数据的解码器。

 

这些解码器也非常实用，下次更新关于这些解码器的原理和详细使用。

更多详细内容参见《netty in action》 或者netty源码的英文注释。