Netty指南（3）--- Netty入门

前言

本文我们将会介绍什么是Netty，为什么要选择Netty，以及Netty的特性。

什么是Netty

Netty是一个Java语言开发的高性能非阻塞I/O client/server框架，它支持快速、简单的开发client/server网络应用程序，大大简化了网络编程，如：TCP、UDP套接字服务器等。
Netty的”快速而简单”并不意味着使用它开发出的应用程序会遭遇可维护性或性能问题，Netty经过非常精心的设计（也许这就是艺术），积累了多种协议（FTP、SMTP、HTTP、各种二进制协议和基于文本的遗留协议）实现的经验。

选择Netyy的理由

为什么不使用原生NIO类库进行开发

NIO类库和API繁杂且使用麻烦，需要熟练掌握Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer等。
需要具备其他的额外技能做铺垫，例如熟悉Java多线程编程，这是因为NIO编程设计Reactor模式，必须对多线程和网络编程非常熟悉，才能编写出高质量的NIO程序。
可靠性能力补齐，工作量和难度都非常大，例如客户端重连、半包读写、失败缓存、异常码流的处理等问题，且还需要很好的模块设计才能保证代码更改起来不会牵一发动全身。
JDK NIO的BUG，例如epoll bug，它会导致Selector空轮询，最终导致CPU 100%，官方称JDK 1.6（6u4）版本修复了该问题，但直到JDK 1.7版本该问题依旧存在，只是发生概率降低了而已，如果你想了解该bug的细节，可以点击下面两个链接查看。
点击查看JDK NIO epoll bug详情
点击查看JDK NIO epoll bug详情
为什么选择Netty
Netty是业界流行的NIO框架之一，它的健壮性、功能、性能、可定制和可扩展性是目前NIO框架中最好的，它已经得到成千上万的商用项目验证。
统一的API，使用简单，支持多种传输类型，阻塞或非阻塞的，内置了多种编解码功能，支持多种主流协议。
易于使用，完备的Javadoc和大量的示例集。
高性能，拥有比Java的核心API更高的吞吐量以及更低的延迟，得益于池话和服用，拥有更低的资源消耗，最少的内存复制。
健壮性强，不会因为慢速、快速或超载的连接而导致OutOfMemoryError，消除在高速网络中NIO应用程序常见的不公平读/写问题。
安全性，完整的SSL/TSL/StartTLS支持
定制能力强，可以通过ChannelHandler对通信框架进行灵活的扩展。
成熟、稳定，Netty修复了已经被发现的所有JDK NIO Bug，业务开发人员不需要为JDK NIO本身存在的问题而苦恼。
社区活跃，版本迭代周期短，发现Bug能被及时修复。

使用JDK NIO开发与使用Netty的对比

下面是两种方式编写一个非常简单的NIO程序的流程，流程中不涉及TCP粘包拆包和编解码细节。

使用JDK NIO的开发流程

创建ServerSocketChannel，并配置它为非阻塞模式；
绑定监听，配置TCP参数，例如backlog、sndbuf等；
创建一个独立的I/O线程，用于轮询Selector；
创建Selector，将之间创建的ServerSocketChannel注册到Selector上，监听SelectionKey.ACCEPT；
启动I/O线程，再循环体重执行Selector.select()方法，轮询就绪的Channel；
当轮询到了就绪状态的Channel是，需要判断其状态，如果是ACCEPT状态，说明是新接入的客户端，则调用ServerSocketChannel.accept()接受客户端连接；
将SocketChannel注册到Selector上，监听OP_READ操作位；
如果Channel状态为OP_READ，则说明SocketChannel有新的就绪的数据包需要读取，则构造ByteBuffer读取数据包；
如果Channel状态为OP_WRITE，说明还有数据没有发送完成，需要继续发送。
使用Netty NIO的开发流程
创建 NIO 线程组 EventLoopGroup 和 ServerBootstrap。
设置 ServerBootstrap 的属性：线程组、SO_BACKLOG 选项，设置 NioServerSocketChannel 为 Channel，设置业务处理 Handler。
绑定端口，启动服务器程序。
在业务处理 TimeServerHandler 中，读取客户端发送的数据，并给出响应。
可以看到，Netty把NIO开发中的很多细节帮我们做了，比如：不需要操作Selector，不需要手动从SocketChannel中读取数据并转换完ByteBuffer等问题，我们只需要考虑业务处理就可以了。
从语言描述上体会可能不是很深，你可以点击下方连接查看代码，与之前的JDK NIO代码进行对比，你会更直观的体会出Netty的”简单与快速”。
点击查看Netty NIO完整示例代码

Netty核心组件

以下组件目前有个概念即可，后续会有章节单独详细的讲解。
下面我们简单的介绍一下Netty中的核心组件：

Channel
ByteBuf
EventLoop
Future
ChannelPipeline
ChannelHandler
这些模块代表了不同类型的构建、资源、逻辑及通知，应用程序将使用它们来访问网络以及流经网络的数据。

Channel

基本的 I/O 操作(bind()、connect()、read()和 write())依赖于底层网络传输所提供的原语。
在基于 Java 的网络编程中，其基本的构造是 class Socket。Netty 的 Channel 接口所提供的 API，大大地降低了直接使用 Socket 类的复杂性。
此外，Channel 也是拥有许多预定义的、专门化实现的广泛类层次结构的根。
下面是一个简短的部分清单:

EmbeddedChannel — Netty专门为改进针对ChannelHandler的单元测试的一种特殊Channel实现
LocalServerChannel — Netty提供的用来在同一个JVM内部实现client和server之间通信的transport
NioDatagramChannel — Netty提供的UDP数据包的channel
NioSctpChannel — 异步的客户端 Sctp 连接
NioSocketChannel

ByteBuf

Java NIO 提供了 ByteBuffer 作为它的字节容器，但是这个类使用起来过于复杂，而且也有些繁琐。
Netty 的 ByteBuffer 替代品是 ByteBuf，一个强大的实现，既解决了 JDK API 的局限性，又为网络应用程序的开发者提供了更好的 API。

EventLoop（Reactor线程组）

EventLoop 定义了 Netty 的核心抽象，用于处理连接的生命周期中所发生的事件。

一个 EventLoopGroup 包含一个或者多个 EventLoop;
一个 EventLoop 在它的生命周期内只和一个 Thread 绑定;
所有由 EventLoop 处理的 I/O 事件都将在它专有的 Thread 上被处理;
一个 Channel 在它的生命周期内只注册于一个 EventLoop;
一个 EventLoop 可能会被分配给一个或多个 Channel。

下图为Channel、EventLoop、Thread 以及 EventLoopGroup 之间的关系。

Future

Future 提供了另一种在操作完成时通知应用程序的方式。
这个对象可以看作是一个异步操作的结果的占位符;它将在未来的某个时刻完成，并提供对其结果的访问。
JDK预置了 interface java.util.concurrent.Future，但是其所提供的实现，只允许手动检查对应的操作是否已经完成，或者一直阻塞直到它完成。
这是非常繁琐的，所以 Netty 提供了它自己的实现 ChannelFuture，用于在执行异步操作的时候使用。
ChannelFuture提供了几种额外的方法，这些方法使得我们能够注册一个或者多个 ChannelFutureListener实例。监听器的回调方法operationComplete()，将会在对应的操作完成时被调用。
然后监听器可以判断该操作是成功地完成了还是出错了。如果是后者，我们可以检索产生的Throwable。简而言之，由ChannelFutureListener提供的通知机制消除了手动检查对应的操作是否完成的必要。
每个 Netty 的出站 I/O 操作都将返回一个 ChannelFuture;也就是说，它们都不会阻塞。

ChannelPipeline

ChannelPipeline 提供了 ChannelHandler 链的容器，并定义了用于在该链上传播入站和出站事件流的API。
ChannelPipeline 它负责ChannelHandler的管理和事件拦截与调度，当 Channel 被创建时，它会被自动地分配到它专属的 ChannelPipeline。

ChannelHandler

ChannelHandler 它充当了所有处理入站和出站数据的应用程序逻辑的容器。类似于Servlet的Filter过滤器，负责对I/O事件或者I/O操作进行拦截和处理。
ChannelHandler 可以用于任何类型的动作，例如将数据从一种格式转换为另外一种格式，或者处理转换过程中所抛出的异常。

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