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netty在框架中的使用套路

2017年03月18日

前言

服务端网络开发的基本套路

简单的netty client demo是

public class TimeClient {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        String host = "127.0.0.1";
        int port = 8080;
        new TimeClient().connect(host, port);
    }
    public void connect(String host,int port) throws InterruptedException{
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap b = new Bootstrap();
            b.group(workerGroup).channel(NioSocketChannel.class).option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)
                    .handler(new ChildChannelHandler());
            ChannelFuture f = b.connect(host, port).sync();
            // 此处,你其实可以直接使用f.writeAndFlush发送数据
            // 等待关闭
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
    private class ChildChannelHandler extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
        protected void initChannel(SocketChannel arg0) throws Exception {
            arg0.pipeline().addLast(new TimeClientHandler());
        }
    }
}

首先,该代码启动一个进程,进程的目的是启动netty。而通常框架中,netty以及其实现的网络通信,只是框架功能的一个基础部分。我们如何对netty进行封装,使其“返璞归真”,回归到java socket原来的api的使用感觉:socket.write(byte[]),甚至于借助netty的特性,提供异步操作的api。

或者说,一个通用的通信分层框架是一个什么样的结构,而上述netty client demo代码如何分散或适配在这个框架中,这是一个很有意思的部分。

最近在学习zookeeper的源码,zk client的transport层提供java原生nio和netty两种实现。基于zk中netty使用方式的借鉴和自己的思考,我实现了一个基于netty的、通用的transport层框架,参见qiankunli/pigeon

定义netty transport层与上层的边界

nio/netty的一些特点

  1. nio/netty本质上是异步的,同步接口需要另外包装。为何?因为nio或者netty本身用了底层OS的异步特性,可以控制读写的逻辑,却无法控制读写的时机。==> 只能使用缓冲区收发数据,或者说,缓冲区成为业务程序和nio/os底层交互的媒介。
  2. 对于网络数据传输,需要制定一个通信协议。尤其是,如何定义一段有意义的数据的开始与结束。这就需要事先定义好协议model、以及对协议model的编解码。

具体的说,在实现一个transport层框架之前,我们要想清楚,什么是业务层要传入的,什么是transport层要解决的。

业务层要传入的

  1. 业务协议数据请求model、响应model(请求和响应model可以是同一个)定义及其序列化逻辑。对应zk就是CreateRequest、DeleteRequest、CreateResponse等
  2. 对于transport层server端,需要业务层传入协议数据处理逻辑,即将根据请求model返回响应model。

transport层负责的

  1. 通用数据请求model、响应model(可以是同一个)定义及其序列化逻辑。对应zk就是Packet。为什么transport层还需要一个通用的model?因为数据model的收发需要一些辅助字段,比如客户端收到一个响应model,要和其对应的请求model关联起来,这就需要一个id字段。而transport层model通常和业务层协议model不是同一个,因为层次之间共用model会导致transport层字段暴露到上层。

  2. 连接的可靠性检测,比如收发ping/pong消息,如有异常,及时反馈到上层
  3. transport client 接口异步机制的实现,callback/future,这个通常有两个实现方案

    • 维护一个map及全局id产生器,每次请求put<id,request>,从响应中得到一个<id,response>,通过id将request和response关联起来。

我们经常说,分层,但分层的关键在哪里,如果层之间的接口设计不好,不仅上层会侵染下层,下层也会侵染上层,比如netty数据的读取是在回调方法中,此时上层要想获得响应

上下层交互 具体形式 对协议model的影响
推的方式 上层对下层传入callback,下层存储<id,callback>映射。在netty读取到响应的回调方法中,根据返回数据id找到并调用callback request和response packet共用一个id维持关联关系
拉的方式 上层与下层共用一个<id,packet>,这个map是上下层的接口之一。在netty读取到响应的回调方法中,根据id找到并给packet 的状态字段赋值。上层轮询packet的状态字段值 packet中要有一个状态字段

浅谈TCP/IP网络编程中socket的行为提到:无论是磁盘io还是网络io,应用程序乃至r/w系统调用都不负责数据实际的读写(接收/发送),这些控制皆发生在TCP/IP栈中,对应用程序是透明的。系统调用及之上的应用程序和tcp协议栈就是通过send buffer和receive buffer沟通。

而对于netty和上层框架来说,netty本身是一个死循环的系统:等待io事件然后处理,外界可以提交任务(比如写数据)交给这个循环系统执行。这个循环系统也会在读到数据时,执行设定的handler。执行设定的handler,里面可以做的文章就比较多了。

zk 使用netty的一些特别之处

zookeeper中采用“拉的方式”,但transport层并没有维护<id,packet>。因为zookeeper client确保了发送数据请求(ping等请求是另一种逻辑)的有序性,因此上下层共用一个packet queue即可。

zk transport层提供了两种方案:nio和netty。即ClientCnxnSocket的两个实现类ClientCnxnSocketNIO和ClientCnxnSocketNetty。netty比直接使用nio强的地方在于(或者说netty做了哪些工作):固化了线程模型与nio的结合方式,同时将编解码的过程、pipeline的思想融入处理过程中,使得“nio与线程结合”的方式,由”百家争鸣”(hadoop传文件块对nio的使用 VS zk对nio的使用)变成“独尊儒术”。

zk client 实现中,netty收到数据后,只是简单的将字节流写入到zk自定义的缓冲区,并未将编解码过程融入到netty运行过程中。最开始我以为zk这样做的目的是nio和netty的实现共用一些逻辑(自己手动对自定义缓冲区数据做编解码)。在我自己实现qiankunli/pigeon 的过程中,发现zk client的抽象接口是ReplyHeader submitRequest(RequestHeader h, Record request, Record response, WatchRegistration watchRegistration),response对象是事先创建好的。若套用了netty的编解码流程,response对象将由netty框架生成,再利用其为用户创建的response对象赋值,就多费了一番波折,并且不是很有必要。

pushy

Pushy is a Java library for sending APNs (iOS, OS X, and Safari) push notifications.

pushy 对netty的使用和zk有所不同

  1. zk client本身具备复杂的业务逻辑,netty只是作为transport
  2. 和apns交互用的是http2协议,而http2的编解码是可以作为netty 的一个handler“插件”存在的,同时,pushy对外提供的接口也完全是异步的。

     ApnsPayloadBuilder payloadBuilder = new ApnsPayloadBuilder();
     payloadBuilder.setAlertBody("Example!");
     String payload = payloadBuilder.buildWithDefaultMaximumLength();
     String token = TokenUtil.sanitizeTokenString("<efc7492 bdbd8209>");
     SimpleApnsPushNotification  pushNotification = new SimpleApnsPushNotification(token, "com.example.myApp", payload);
     Future<PushNotificationResponse<SimpleApnsPushNotification>> sendNotificationFuture = apnsClient.sendNotification(pushNotification);
    

一些技巧

使用内部类

一个类如果只是被某一个类引用的话,做成内部类也无妨,虽然外围类代码看起来长了点,但少传了很多参数。比如,下文中ZKClientHandler 的messageReceived方法就像是ClientCnxnSocketNetty的方法一样操作incomingBuffer,便于清晰的观察数据读写的来龙去脉。

ClientCnxnSocketNetty{
	protected ByteBuffer incomingBuffer = lenBuffer;	// extend from ClientCnxnSocket
	ZKClientHandler extends SimpleChannelUpstreamHandler{
		public void messageReceived(ChannelHandlerContext ctx,
                                    MessageEvent e) throws Exception {
                                    	handle incomingBuffer;
                                    }
	}
}

连接数管理

你是不是觉得,一个netty client只能用一个channel?

通过本文开头的netty client demo,人很容易想当然的认为,netty client 与 channel是一对一关系。事实上不是的,我们可以为client 维护一个channel pool,进而提高通信效率。毕竟只有一个channel,再怎么异步,性能还是有限的。

对于服务端来说,能够支持的总连接数是有限的,如果一个客户端建立了大量的连接,将严重限制服务端可以服务的客户端数,因此服务端针对一个具体的客户端,要有一个连接数(主要是上限)管理。

相关细节参见通用transport层框架pigeon