Netty实战（八）

news2024/12/25 12:51:37

引导

  • 一、引导
    • 1.1 什么是引导
    • 1.2 Bootstrap 类
    • 1.3 引导客户端和无连接协议
    • 1.4 引导客户端
    • 1.5 Channel 和 EventLoopGroup 的兼容性
  • 二、引导服务器
    • 2.1 ServerBootstrap 类
    • 2.2 引导服务器
  • 三、从 Channel 引导客户端
  • 四、在引导过程中添加多个 ChannelHandler
  • 五、使用 Netty 的 ChannelOption 和属性
  • 六、引导 DatagramChannel
  • 七、关闭

一、引导

1.1 什么是引导

引导一个应用程序是指对它进行配置，并使它运行起来的过程。引导可以简单的认为是将分散的了 ChannelPipeline、ChannelHandler 和 EventLoop组合起来，成为一个完成应用程序的模块。

1.2 Bootstrap 类

引导类的层次结构包括一个抽象的父类和两个具体的引导子类。

相对于将具体的引导类分别看作用于服务器和客户端的引导来说，它们的本意是用来支撑不同的应用程序的功能。

服务器致力于使用一个父 Channel 来接受来自客户端的连接，并创建子Channel 以用于它们之间的通信；

而客户端将最可能只需要一个单独的、没有父 Channel 的 Channel 来用于所有的网络交互。

如 UDP，因为它们并不是每个连接都需要一个单独的 Channel。

我们在前面的几篇中学习的几个 Netty 组件都参与了引导的过程，而且其中一些在客户端和服务器都有用到。两种应用程序类型之间通用的引导步骤由 AbstractBootstrap 处理，而特定于客户端或者服务器的引导步骤则分别由 Bootstrap 或 ServerBootstrap 处理。

AbstractBootstrap类申明：

public abstract class AbstractBootstrap
<B extends AbstractBootstrap<B,C>,C extends Channel>

在这个签名中，子类型 B 是其父类型的一个类型参数，因此可以返回到运行时实例的引用以支持方法的链式调用（也就是所谓的流式语法）。

它的子类有两种申明方式，分别为：

public class Bootstrap
extends AbstractBootstrap<Bootstrap,Channel>

public class ServerBootstrap
extends AbstractBootstrap<ServerBootstrap,ServerChannel>

是不是有些眼熟？我们在第二篇博文中使用过他们构建过客户端和服务端。

1.3 引导客户端和无连接协议

Bootstrap 类被用于客户端或者使用了无连接协议的应用程序中，它的大部分方法都继承自 AbstractBootstrap 类。

名 称描 述
Bootstrap group(EventLoopGroup)设置用于处理 Channel 所有事件的 EventLoopGroup
Bootstrap channel(Class<? extends C>) Bootstrap channelFactory(ChannelFactory<? extends C>)channel()方法指定了Channel的实现类。如果该实现类没提供默认的构造函数 ，可以通过调用channelFactory()方法来指定一个工厂类，它将会被bind()方法调用
Bootstrap localAddress(SocketAddress)指定 Channel 应该绑定到的本地地址。如果没有指定，则将由操作系统创建一个随机的地址。或者，也可以通过bind()或者 connect()方法指定 localAddress
Bootstrap option(ChannelOption option,T value)设置 ChannelOption，其将被应用到每个新创建的Channel 的 ChannelConfig。这些选项将会通过bind()或者 connect()方法设置到 Channel，不管哪个先被调用。这个方法在 Channel 已经被创建后再调用将不会有任何的效果。支持的 ChannelOption 取决于使用的 Channel 类型。
Bootstrap attr(Attribute key, T value)指定新创建的 Channel 的属性值。这些属性值是通过bind()或者 connect()方法设置到 Channel 的，具体取决于谁最先被调用。这个方法在 Channel 被创建后将不会有任何的效果。
Bootstrap handler(ChannelHandler)设置将被添加到 ChannelPipeline 以接收事件通知的ChannelHandler
Bootstrap clone()创建一个当前 Bootstrap 的克隆，其具有和原始的Bootstrap 相同的设置信息
Bootstrap remoteAddress(SocketAddress)设置远程地址。或者，也可以通过 connect()方法来指定它
ChannelFuture connect()连接到远程节点并返回一个 ChannelFuture，其将 会在连接操作完成后接收到通知
ChannelFuture bind()绑定 Channel 并返回一个 ChannelFuture，其将会在绑定操作完成后接收到通知，在那之后必须调用 Channel.connect()方法来建立连接

这玩意太多了，建议可以收藏本文，用的时候翻出来看一看即可。

1.4 引导客户端

Bootstrap 类负责为客户端和使用无连接协议的应用程序创建 Channel。

它的引导过程可以参见下面的图示：

在这里插入图片描述

我们来一段引导了一个使用 NIO TCP 传输的客户端代码看看：

package com.example.netty.bootstrap.niotcp;

import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;

import java.net.InetSocketAddress;

/**
 * @author lhd
 * @date 2023/05/24 15:19
 * @notes 引导了NIO 的 Netty 客户端代码
 */
public class client {

    public static void main(String[] args) {
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        //创建一个Bootstrap类的实例以创建和连接新的客户端Channe
        Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
        //设置 EventLoopGroup，提供用于处理 Channel事件的 EventLoop
        bootstrap.group(group)
                //指定channel实现
                .channel(NioSocketChannel.class)
                //设置用于 Channel 事件和数据的ChannelInboundHandle
                .handler(new SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf>() {
                    @Override
                    protected void channelRead0(
                            ChannelHandlerContext channelHandlerContext,
                            ByteBuf byteBuf) throws Exception {
                        System.out.println("Received data");
                    }
                } );
        //链接到远程主机
        ChannelFuture future = bootstrap.connect(
                new InetSocketAddress("www.manning.com", 80));
        future.addListener(new ChannelFutureListener() {
            @Override
            public void operationComplete(ChannelFuture channelFuture)
                    throws Exception {
                if (channelFuture.isSuccess()) {
                    System.out.println("Connection established");
                } else {
                    System.err.println("Connection attempt failed");
                    channelFuture.cause().printStackTrace();
                }
            }
        } );
    }
}

1.5 Channel 和 EventLoopGroup 的兼容性

Channel 和 EventLoopGroup 都有相关的 EventLoopGroup 和Channel 实现。它们是相互兼容的。

相互兼容的 EventLoopGroup 和 Channel：

channel
├───nio
│ NioEventLoopGroup
├───oio
│ OioEventLoopGroup
└───socket
├───nio
│ NioDatagramChannel
│ NioServerSocketChannel
│ NioSocketChannel
└───oio
OioDatagramChannel
OioServerSocketChannel
OioSocketChannel

二、引导服务器

我们将从 ServerBootstrap API 的概要视图开始我们对服务器引导过程的概述。

2.1 ServerBootstrap 类

和Bootstrap 类一样， ServerBootstrap 类也有属于它的类方法。

名 称描 述
group设置 ServerBootstrap 要用的 EventLoopGroup。这个 EventLoopGroup将用于 ServerChannel 和被接受的子 Channel 的 I/O 处理
channel设置将要被实例化的 ServerChannel 类
channelFactory如果不能通过默认的构造函数 ①创建Channel，那么可以提供一个ChannelFactory
localAddress指定 ServerChannel 应该绑定到的本地地址。如果没有指定，则将由操作系统使用一个随机地址。或者，可以通过 bind()方法来指定该 localAddress
option指定要应用到新创建的 ServerChannel 的 ChannelConfig 的 ChannelOption。这些选项将会通过 bind()方法设置到 Channel。在 bind()方法被调用之后，设置或者改变 ChannelOption 都不会有任何的效果。所支持的 ChannelOption 取决于所使用的 Channel 类型。
childOption指定当子 Channel 被接受时，应用到子 Channel 的 ChannelConfig 的ChannelOption。所支持的 ChannelOption 取决于所使用的 Channel 的类型。
attr指定 ServerChannel 上的属性，属性将会通过 bind()方法设置给 Channel。在调用 bind()方法之后改变它们将不会有任何的效果
childAttr将属性设置给已经被接受的子 Channel。接下来的调用将不会有任何的效果handler 设置被添加到ServerChannel 的ChannelPipeline中ChannelHandler。
childHandler设置将被添加到已被接受的子 Channel 的 ChannelPipeline 中的 ChannelHandler。handler()方法和 childHandler()方法之间的区别是：前者所添加的 ChannelHandler 由接受子 Channel 的 ServerChannel 处理，而childHandler()方法所添加的 ChannelHandler 将由已被接受的子 Channel处理，其代表一个绑定到远程节点的套接字
clone克隆一个设置和原始的 ServerBootstrap 相同的 ServerBootstrap
bind绑定 ServerChannel 并且返回一个 ChannelFuture，其将会在绑定操作完成后收到通知（带着成功或者失败的结果）

那服务器是咋引导的呢？我们继续往下看。

2.2 引导服务器

上面的表中列出了一些客户端Bootstrap 类没有的方法，像：childHandler()、 childAttr()和
childOption()。这些调用支持特别用于服务器应用程序的操作。具体来说，ServerChannel 的实现负责创建子
Channel，这些子 Channel 代表了已被接受的连接。因此，负责引导 ServerChannel 的 ServerBootstrap
提供了这些方法，以简化将设置应用到已被接受的子 Channel 的 ChannelConfig 的任务。

ServerBootstrap 在 bind()方法被调用时创建了一个 ServerChannel，
并且该 ServerChannel 管理了多个子 Channel的过程是咋样的呢？

看这张图：

在这里插入图片描述

用代码表示它的引导过程应该是这样的：

NioEventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
//创建ServerBootstrap 
ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
bootstrap.group(group)
//设置channel
.channel(NioServerSocketChannel.class)
//设置用于处理已被接受的子Channel的I/O及数据的 ChannelInboundHandler
.childHandler(new SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf>() {

@Override
protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx,
ByteBuf byteBuf) throws Exception {
System.out.println("Received data");
}
} );
//通过配置好的ServerBootstrap的实例绑定该Channel
ChannelFuture future = bootstrap.bind(new InetSocketAddress(8080));
future.addListener(new ChannelFutureListener() {
@Override
public void operationComplete(ChannelFuture channelFuture)
throws Exception {
if (channelFuture.isSuccess()) {
System.out.println("Server bound");
} else {
System.err.println("Bound attempt failed");
channelFuture.cause().printStackTrace();
}
}
} );

三、从 Channel 引导客户端

假设你的服务器正在处理一个客户端的请求，这个请求需要它充当第三方系统的客户端。当一个应用程序（如一个代理服务器）必须要和组织现有的系统（如
Web 服务或者数据库）集成时，就可能发生需要从已经被接受的子 Channel 中引导一个客户端 Channel。如果我们按照上面的方式去创建客户端，这会产生额外的线程，以及在已被接受的子 Channel 和客户端 Channel 之间交换数据时不可避免的上下文切换。

为了避免这种情况，我们可以将已被接受的子 Channel 的 EventLoop 传递给 Bootstrap的 group()方法来共享该 EventLoop。因为分配给 EventLoop 的所有 Channel 都使用同一个线程，所以这避免了额外的线程创建，以及前面所提到的相关的上下文切换。

实现 EventLoop 共享涉及通过调用 group()方法来设置 EventLoop，如代码：

//创建 ServerBootstrap 以创建ServerSocketChannel，并绑定它
ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
//设置 EventLoopGroup，其将提供用以处理 Channel 事件的 EventLoop
bootstrap.group(new NioEventLoopGroup(), new NioEventLoopGroup())
//指定要使用的Channel 实现
.channel(NioServerSocketChannel.class)
//设置用于处理已被接受的子 Channel 的 I/O 和数据的ChannelInboundHandler
.childHandler(new SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf>() {
ChannelFuture connectFuture;
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx)
throws Exception {
Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
//指定 Channel的实现
bootstrap.channel(NioSocketChannel.class).handler(
//为入站 I/O 设置ChannelInboundHandler
new SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf>() {
@Override
protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in)
throws Exception {
System.out.println("Received data");
}
} );
//使用与分配给已被接受的子channel相同的EventLoop
bootstrap.group(ctx.channel().eventLoop());
//创建一个 Bootstrap类的实例以连接到远程主机
connectFuture = bootstrap.connect(
new InetSocketAddress("www.manning.com", 80));
}
@Override
protected void channelRead0(
ChannelHandlerContext channelHandlerContext,
ByteBuf byteBuf) throws Exception {
//当连接完成时，执行一些数据操作（如代理）
if (connectFuture.isDone()) {
// do something with the data
}
}
} );
//通过配置好的ServerBootstrap绑定该 ServerSocketChannel
ChannelFuture future = bootstrap.bind(new InetSocketAddress(8080));
future.addListener(new ChannelFutureListener() {
@Override
public void operationComplete(ChannelFuture channelFuture) throws Exception {
if (channelFuture.isSuccess()) {
  System.out.println("Server bound");
} else {
System.err.println("Bind attempt failed");
   channelFuture.cause().printStackTrace();
}
}
} );

这段代码表达了一个核心，就是尽可能地重用 EventLoop，以减少线程创建所带来的开销。但共享EventLoop就意味着共享线程。所以我们特别需要注意的是不能将有状态的数据带入（上一篇有提到，感兴趣可以返回去看看）。

四、在引导过程中添加多个 ChannelHandler

在所有我们展示过的代码示例中，我们都在引导的过程中调用了 handler()或者 childHandler()方法来添加单个的 ChannelHandler。这对于简单的应用程序来说可能已经足够，但是它不能满足更加复杂的需求。例如，一个必须要支持多种协议的应用程序将会有很多的ChannelHandler，而不会是一个庞大而又笨重的类。

我们可以可以根据需要，通过在 ChannelPipeline 中将它们链接在一起来
部署尽可能多的 ChannelHandler。但是，如果在引导的过程中你只能设置一个 ChannelHandler，那么你应该怎么做到这一点呢？

解决方式来了：Netty 提供了一个特殊的 ChannelInboundHandlerAdapter 子类：

public abstract class ChannelInitializer<C extends Channel>
extends ChannelInboundHandlerAdapter

它定义了下面的方法：

protected abstract void initChannel(C ch) throws Exception;

那这个方法该如何使用呢？

这个方法提供了一种将多个 ChannelHandler 添加到一个 ChannelPipeline 中的简便方法。

只需要简单地向 Bootstrap 或 ServerBootstrap 的实例提供ChannelInitializer 实现即可，并且一旦 Channel 被注册到了它的 EventLoop 之后，就会调用你的initChannel()版本。在该方法返回之后，ChannelInitializer 的实例将会从 ChannelPipeline 中移除它自己。

下面看一下它的代码示例：

//创建 ServerBootstrap 以创建和绑定新的 Channel
ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
//设置 EventLoopGroup，其将提供用以处理 Channel 事件的 EventLoop
bootstrap.group(new NioEventLoopGroup(), new NioEventLoopGroup())
//指定 Channel 的实现
.channel(NioServerSocketChannel.class)
//注册一个 ChannelInitializerImpl 的实例来设置 ChannelPipeline
.childHandler(new ChannelInitializerImpl());
//绑定到地址
ChannelFuture future = bootstrap.bind(new InetSocketAddress(8080));
future.sync();

final class ChannelInitializerImpl extends ChannelInitializer<Channel> {
//用以设置 ChannelPipeline 的自定义ChannelInitializerImpl 实现
@Override
protected void initChannel(Channel ch) throws Exception {
ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
//将所需的ChannelHandler添加到ChannelPipeline
pipeline.addLast(new HttpClientCodec());
pipeline.addLast(new HttpObjectAggregator(Integer.MAX_VALUE));
}
}

五、使用 Netty 的 ChannelOption 和属性

在每个 Channel 创建时都手动配置它可能会变得相当繁琐。可以使用 option()方法来将 ChannelOption 应用到引导。我们所提供的值将会被自动应用到引导所创建的所有 Channel。可用的 ChannelOption 包括了底层连接的详细信息，如keep-alive 或者超时属性以及缓冲区设置。

如何使用 ChannelOption 来配置 Channel：

//创建一个 AttributeKey以标识该属性
final AttributeKey<Integer> id = new AttributeKey<Integer>("ID");
//创建一个 Bootstrap 类的实例以创建客户端 Channel 并连接它们
Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
//设置 EventLoopGroup，其提供了用以处理 Channel事件的 EventLoop
bootstrap.group(new NioEventLoopGroup())
//指定Channel的实现
.channel(NioSocketChannel.class)
//设置用以处理 Channel 的I/O 以及数据的 ChannelInboundHandler
.handler(new SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf>() {
@Override
public void channelRegistered(ChannelHandlerContext ctx)throws Exception {
//使用 AttributeKey 检索属性以及它的值
Integer idValue = ctx.channel().attr(id).get();
// do something with the idValue
}
@Override
protected void channelRead0(
ChannelHandlerContext channelHandlerContext,
ByteBuf byteBuf) throws Exception {
System.out.println("Received data");
}
}
);
bootstrap.option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE,true)
//设置 ChannelOption，其将在 connect()或者bind()方法被调用时被设置到已经创建的Channel 上
.option(ChannelOption.CONNECT_TIMEOUT_MILLIS, 5000);
//存储该id 属性
bootstrap.attr(id, 123456);
//使用配置好的 Bootstrap实例连接到远程主机
ChannelFuture future = bootstrap.connect(
new InetSocketAddress("www.manning.com", 80));
future.syncUninterruptibly();

六、引导 DatagramChannel

前面的引导代码示例使用的都是基于 TCP 协议的 SocketChannel，但是 Bootstrap 类也可以被用于无连接的协议。为此，Netty 提供了各种 DatagramChannel 的实现。唯一区别就是，不再调用 connect()方法，而是只调用 bind()方法。

使用 Bootstrap 和 DatagramChannel：

//创建一个 Bootstrap 的实例以创建和绑定新的数据报 Channel
Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
//设置 EventLoopGroup，其提供了用以处理 Channel 事件的 EventLoop
bootstrap.group(new OioEventLoopGroup()).channel(
//设置用以处理 Channel 的I/O 以及数据的 ChannelInboundHandlerOioDatagramChannel.class).handler(
new SimpleChannelInboundHandler<DatagramPacket>(){
@Override
public void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx,
DatagramPacket msg) throws Exception {
// Do something with the packet
}
}
);
//调用 bind()方法，因为该协议是无连接的
ChannelFuture future = bootstrap.bind(new InetSocketAddress(0));
future.addListener(new ChannelFutureListener() {
@Override
public void operationComplete(ChannelFuture channelFuture)
throws Exception {
if (channelFuture.isSuccess()) {
System.out.println("Channel bound");
} else {
System.err.println("Bind attempt failed");
channelFuture.cause().printStackTrace();
}
}
});

七、关闭

引导使你的应用程序启动并且运行起来，但是迟早你都需要优雅地将它关闭。当然，你也可以让 JVM 在退出时处理好一切，但是这不符合优雅的定义，优雅是指干净地释放资源。

我们需要关闭 EventLoopGroup，它将处理任何挂起的事件和任务，并且随后
释放所有活动的线程。这就是调用 EventLoopGroup.shutdownGracefully()方法的作用。

这个方法调用将会返回一个 Future，这个 Future 将在关闭完成时接收到通知。需要注意的是，shutdownGracefully()方法也是一个异步的操作，所以你需要阻塞等待直到它完成，或者向所返回的 Future 注册一个监听器以在关闭完成时获得通知。

优雅关闭：

EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
bootstrap.group(group)
.channel(NioSocketChannel.class);
...
//shutdownGracefully()方法将释放所有的资源，并且关闭所有的当前正在使用中的 Channe
Future<?> future = group.shutdownGracefully();
// block until the group has shutdown
future.syncUninterruptibly();

或者，你也可以在调用 EventLoopGroup.shutdownGracefully()方法之前，显式地在所有活动的 Channel 上调用 Channel.close()方法。但是在任何情况下，都请记得关闭EventLoopGroup 本身。

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