构建异步高并发服务器：Netty与Spring Boot的完美结合

前言

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IO

在Java基础中，IO流是一个重要操作，先上八股

1. BIO：传统的IO，同步阻塞，一个连接一个线程。一般不怎么使用
2. AIO：JDK7引入的，异步非阻塞IO
3. NIO：JDK1.4之后新的API，是多路复用，允许你一次性处理多个连接，而不需要等待每个连接的完成。（NIO 多路复用的核心概念是 Selector（选择器）和 Channel（通道）通过Channel、Buffer和Selector来进行数据传输和事件处理）

Netty

Netty是建立在NIO之上的一个框架，提供了更高级的抽象，如ChannelHandler和EventLoop，简化了事件处理和网络编程。
执行流程如下图

具有高性能，高可靠性，高可扩展性，还支持多种协议

我们以聊天流程为例

1. 服务端启动
2. 客户端启动
3. 客户端启动连接上的时候，告知服务端
4. 服务端读取到客户端的信息后立即发送信息给客户端
5. 客户端收到信息后也发送给服务端

1. 引入依赖

  		<dependency>
            <groupId>io.netty</groupId>
            <artifactId>netty-all</artifactId>
            <version>4.1.76.Final</version>
        </dependency>

2. 服务端

@Slf4j
public class NettyServer {

    private final static int PORT = 9012;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        /**
         * 包含childGroup，childHandler，config，继承的父类AbstractBootstrap包括了parentGroup
         * */
        ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
        /**
         * EventLoopGroup用于处理所有ServerChannel和Channel的所有事件和IO
         * */
        EventLoopGroup parentGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup childGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            /**
             * 绑定两个事件组
             * */
            bootstrap.group(parentGroup, childGroup)
                    /**
                     * 初始化socket，定义tcp连接的实例
                     * 内部调用ReflectiveChannelFactory实现对NioServerSocketChannel实例化
                     * channelFactory是在AbstractBootstrap，也就是bootstrap的父类
                     * */
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    /**
                     * 添加处理器
                     * ChannelInitializer包括了Set<ChannelHandlerContext> initMap
                     *
                     * 这里比较有趣的事情就是使用被注册的channel去初始化其他的channel，
                     * 等初始化结束后移除该channel
                     * 所以SocketChannel是一个工具，
                     *
                     * 在bind绑定端口的时候，进行初始化和注册initAndRegister，
                     * 通过channel = channelFactory.newChannel()得到初始化channel
                     * init(channel)真正开始初始化，
                     * p = channel.pipeline()得到ChannelPipeline，
                     * p.addLast开始添加
                     * ch.eventLoop().execute将childHandler赋值并开启一个任务setAutoRead
                     * 所以最后在监听读取的时候将会按照下面添加的channel进行读取
                     *
                     * ChannelInitializer继承了ChannelInboundHandlerAdapter
                     * 间接继承ChannelHandlerAdapter，ChannelInboundHandler，
                     * */
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
                            /**
                             * ByteBuf和String之间的转换
                             *
                             *  Decoders解密
                             *  pipeline.addLast("frameDecoder", new {@link LineBasedFrameDecoder}(80))
                             *  pipeline.addLast("stringDecoder", new {@link StringDecoder}(CharsetUtil.UTF_8))
                             *
                             *  Encoder加密
                             *  pipeline.addLast("stringEncoder", new {@link StringEncoder}(CharsetUtil.UTF_8))
                             *
                             *  使用上面的加密解密后就可以直接读取字符串
                             *   void channelRead({@link ChannelHandlerContext} ctx, String msg) {
                             *       ch.write("Did you say '" + msg + "'?\n")
                             *  }
                             *
                             * */
                            pipeline.addLast(new StringDecoder());
                            pipeline.addLast(new StringEncoder());
                            //自定义处理器
                            pipeline.addLast(new ServerHandler1());
                        }
                    });
            ChannelFuture future = bootstrap.bind(PORT).sync();
            log.info("服务器已启动");
            future.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            parentGroup.shutdownGracefully();
            childGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

这段代码实现了一个使用Netty框架的服务器端，它监听指定的端口并处理客户端的连接请求。

1. 创建一个ServerBootstrap实例，用于启动服务器。
2. 创建两个EventLoopGroup实例，parentGroup用于处理服务器的连接请求，childGroup用于处理客户端的数据通信。
3. 绑定事件组到ServerBootstrap实例。
4. 指定使用的NioServerSocketChannel作为服务器套接字通道的实现类。
5. 添加处理器到ChannelInitializer中，该处理器负责初始化和配置新连接的SocketChannel。
6. 在处理器中，通过ChannelPipeline添加了如下处理器：
   • StringDecoder：处理传入的字节数据，并将其解码为字符串。
   • StringEncoder：处理传出的字符串数据，并将其编码为字节。
   • ServerHandler1：自定义的处理器，用于处理客户端发送的消息。
7. 绑定服务器的端口号，启动服务器。
8. 等待服务器的关闭事件。

3. 处理器

@Slf4j
public class ServerHandler1 extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        log.info("Client Address ====== {}，读取的信息：{}", ctx.channel().remoteAddress(),msg);
        ctx.channel().writeAndFlush("服务端writeAndFlush：我是服务端");
        ctx.fireChannelActive();
        //睡眠
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        //打印异常
        cause.printStackTrace();
        //关闭Channel连接，并通知ChannelFuture，通常是出现异常或者是完成了操作
        ctx.close();
    }
}

4. 客户端

@Slf4j
public class NettyClient {
    private final static int PORT = 9012;
    private final static String IP = "localhost";

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        /**
         * 服务端是ServerBootstrap，客户端是Bootstrap
         * Bootstrap引导channel连接，UDP连接用bind方法，TCP连接用connect方法
         * */
        Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
        /**
         * 服务端是EventLoopGroup，客户端是NioEventLoopGroup
         * 这里创建默认0个线程，一个线程工厂，一个选择器提供者
         * */
        NioEventLoopGroup eventLoopGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            bootstrap.group(eventLoopGroup)
                    /**
                     * 初始化socket，定义tcp连接的实例
                     * */
                    .channel(NioSocketChannel.class)
                    .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
                            /**
                             * 进行字符串的转换
                             * */
                            pipeline.addLast(new StringDecoder(CharsetUtil.UTF_8));
                            pipeline.addLast(new StringEncoder(CharsetUtil.UTF_8));
                            /**
                             * 自定义处理器
                             * */
                            pipeline.addLast(new ClientHandler1());
                        }
                    });
            ChannelFuture future = bootstrap.connect(IP, PORT).sync();
            log.info("客户端访问");
            future.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            eventLoopGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

这段代码实现了一个使用Netty框架的客户端，它连接到指定的服务器端并与服务器进行通信。

1. 创建一个Bootstrap实例，用于启动客户端。
2. 创建一个NioEventLoopGroup实例，用于处理客户端的事件和IO操作。
3. 绑定事件组到Bootstrap实例。
4. 指定使用的NioSocketChannel作为客户端套接字通道的实现类。
5. 添加处理器到ChannelInitializer中，该处理器负责初始化和配置客户端连接的SocketChannel。
6. 在处理器中，通过ChannelPipeline添加了如下处理器：
   • StringDecoder：处理传入的字节数据，并将其解码为字符串。
   • StringEncoder：处理传出的字符串数据，并将其编码为字节。
   • ClientHandler1：自定义的处理器，用于处理与服务器之间的通信。
7. 使用Bootstrap的connect()方法连接到指定的服务器IP和端口。
8. 等待连接完成。
9. 在连接成功后，打印日志信息。
10. 等待客户端的关闭事件。

5. 处理器

@Slf4j
public class ClientHandler1 extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        log.info("客户端读取的信息：{}", msg);
        ctx.channel().writeAndFlush("客户端writeAndFlush：我是客户端");
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5000);
    }

    /**
     * 当事件到达pipeline时候触发
     */
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ctx.channel().writeAndFlush("客户端：开始聊天");
    }

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

}

结果

服务端日志

Client Address ====== /127.0.0.1:63740，读取的信息：客户端：开始聊天
Client Address ====== /127.0.0.1:63740，读取的信息：客户端writeAndFlush：我是客户端
Client Address ====== /127.0.0.1:63740，读取的信息：客户端writeAndFlush：我是客户端

客户端日志

客户端读取的信息：服务端writeAndFlush：我是服务端
客户端读取的信息：服务端writeAndFlush：我是服务端

总结

引导类-Bootstarp和ServerBootstrap

Bootstarp和ServerBootstrap被称为引导类，使你的应用程序和网络层相隔离。类似java项目的启动类。

连接-NioSocketChannel

客户端和服务端的启动都是采用配置的channel去连接处理器，这里服务端和客户端是用NioSocketChannel

事件组-EventLoopGroup和NioEventLoopGroup

客户端使用的是NioEventLoopGroup，服务端使用的是EventLoopGroup。 服务端和客户端的引导类启动后实现了配置的运行，客户端和服务端的连接都是采用NioSocketChannel。 连接的流程：

1. 客户端创建一个channel
2. channel对应一个EventLoop，EventLoop存放到NioEventLoopGroup中
3. 服务端监听到后，创建一个channel连接，channel对应一个EventLoop，EventLoop存放到子的EventLoopGroup，父的事件组负责监听，一个事件对应一个子事件组。
   在这里可以认为父是boss监听组，子是工作组。
4. 当客户端发送信息的时候，先被父监听，然后将异步调用工作组。
5. 消息会经过事件组的所有处理器。

实际上服务端的事件组也可以使用NioEventLoopGroup。
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