前言

上文《BIO、NIO、IO多路复用模型详细介绍&Java NIO 网络编程》介绍了几种IO模型以及Java NIO，了解了在网络编程时使用哪种模型可以提高系统性能及效率。即使Java NIO可以帮助开发人员编写和维护网络应用程序，但由于其复杂性以及bug问题，还是诞生很多强大和流行的网络编程框架，比如Netty、Undertow、Grizzly，在平时的开发中大家更倾向于选择这些框架进行开发，而在我们学习和理解网络编程的底层原理时，使用Java NIO可以更加直接和深入地了解底层操作。本文对 Netty 进行简单介绍，并通过 Netty 实现一个HTTP服务器。

Netty介绍

Netty是一个基于Java的高性能网络应用框架，它封装了Java NIO的复杂性，提供了简单而强大的网络编程API，使得开发者能够更方便地构建高性能、可伸缩的网络应用程序。所以说学习Netty前先理解一下Java NIO是很有必要的，不然云里雾里的。

使用Netty能有多强大呢？包括但不限于以下几点：

1. 高性能的IO处理：如果基于Java NIO开发一个成熟的应用，要非常注意如ByteBuffer内存泄漏、Channel注册连接、线程管理等问题。而Netty能够更好地处理连接管理、线程模型和内存管理等方面的问题，从而提供更高的吞吐量和更低的延迟。
2. 强大的功能扩展：如果基于Java NIO写一个HTTP协议、Websocket协议，那我们需要考虑格式、编解码问题，而Netty提供提供了丰富的扩展点，比如编解码器、处理器和拦截器等，开发人员可以通过不同的配置搭建HTTP、WebSocket、TCP和UDP等协议，也可以轻松地添加编解码器，实现自定义协议。
3. 可靠性和稳定性：Netty具有良好的容错能力和稳定性，能够处理各种网络故障和异常情况，并提供了多种容错和恢复机制，如断线重连和心跳机制等。

总的来说，在开发网络应用程序时使用Netty能够更专注于业务逻辑。下图为Netty所支持的功能

Netty发展历程

为了进一步了解Netty，这里介绍一下Netty的前世今生。

• 2004年：Netty的前身Jboss Netty项目在JBoss公司内部启动，目标是提供一个可扩展的、易用的网络编程框架。
• 2008年：Netty项目在JBoss公司内部开源，并发布了第一个公开版本Netty 3.0。该版本主要针对TCP和HTTP协议进行了支持。
• 2011年：Netty 3.2发布，引入了更多的特性和改进，包括更好的性能和更灵活的API设计。
• 2012年：Netty 4.0发布，这是一个重大的里程碑版本。在这个版本中，Netty进行了全面的重构和优化，引入了新的API设计和更高级的特性。
• 2013年：Netty 4.0获得了广泛的认可和采用，并成为了许多大型互联网公司和项目的首选网络编程框架。同年底发布了5.0.0.Alpha1，目标是对Netty 4改进和优化。
• 2015年：Netty 5在开发过程中遇到了一些挑战和技术难题，决定暂停Netty 5的开发，并将重心转移到Netty 4的改进和维护上。
• 2016年：Netty 4.1发布，基于4.0版本进一步改进和优化，提供了更好的性能和更多的功能。

目前有很多知名的项目都选用了Netty作为网络通信的基础，比如知名的RPC框架Dubbo、gRPC，消息队列Kafka、RocketMQ，搜索引擎Elasticsearch等，所以当学习了解这些项目时，Netty会作为一个加分项。

Netty核心组件

因为Netty是基于Java NIO封装的，更加的抽象，要使用Netty进行开发，必须要熟悉Netty中的几个核心组件，下面一一介绍：

1. Channel（通道）：与Java NIO中的SocketChannel一样，可以进行数据的读取和写入。
2. EventLoop（事件循环）：EventLoop是Netty的事件处理机制，它负责处理各种事件，包括连接的建立与关闭、数据的读取与写入等。可以理解成Java NIO中的Selector监听socket得事件，只不过Netty时多线程处理，后面代码中有体现。
3. ChannelHandler（通道处理器）：用来处理Channel中的事件和数据的组件，例如对数据编解码、业务逻辑处理等。Netty提供了许多内置的ChannelHandler，用于处理网络连接和I/O操作。以下是一些常用的ChannelHandler：
   • ChannelInboundHandler：用于处理入站事件，例如连接建立、数据读取等。
   • ChannelOutboundHandler：用于处理出站事件，例如数据写入、连接关闭等。
   • SimpleChannelInboundHandler：继承自ChannelInboundHandler，简化了消息处理的逻辑。
   • SimpleChannelOutboundHandler：继承自ChannelOutboundHandler，简化了消息发送的逻辑。
   • HttpServerCodec：它负责处理 HTTP 请求和响应的编解码。
   • HttpObjectAggregator：将 HTTP 请求的多个部分合并成一个完整的 FullHttpRequest。
   • WebSocketServerProtocolHandler：处理 WebSocket 协议的握手和帧的编解码。
4. ChannelPipeline（通道管道）：ChannelPipeline是一个事件处理器链，用于管理和执行ChannelHandler，每个Channel都有一个对应的Pipeline，当数据进入或离开Channel时，会经过Pipeline中的一系列ChannelHandler进行处理。
5. ByteBuf（字节缓冲区）：ByteBuf是Netty中的字节容器，用于高效地存储和传输字节数据。与Java NIO的ByteBuffer相比，ByteBuf提供了更灵活的API和更高效的内存管理。
6. Future（异步操作结果）：Netty中的操作都是异步的，Future用来获取操作的状态和结果。
7. Bootstrap（引导类）：Bootstrap是启动客户端的类，负责配置和启动客户端的相关组件。
8. ServerBootstrap（服务器引导类）：ServerBootstrap是创建和启动服务器的类，用于配置和管理服务器的各个组件。

实现HTTP服务器

下面以HTTP协议为例，用Netty编写一个HTTP服务器。在这之前，我们先用上篇文章的NIOServer接收一下浏览器的请求，大概是这样的：

GET / HTTP/1.1
Host: localhost:8888
Connection: keep-alive
sec-ch-ua: "Google Chrome";v="111", "Not(A:Brand";v="8", "Chromium";v="111"
sec-ch-ua-mobile: ?0
sec-ch-ua-platform: "macOS"
Upgrade-Insecure-Requests: 1
User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_15_7) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/111.0.0.0 Safari/537.36
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,image/avif,image/webp,image/apng,*/*;q=0.8,application/signed-exchange;v=b3;q=0.7
Sec-Fetch-Site: none
Sec-Fetch-Mode: navigate
Sec-Fetch-User: ?1
Sec-Fetch-Dest: document
Accept-Encoding: gzip, deflate, br
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9

可以看到接收到了一个HTTP请求的报文数据，有请求行、请求头和请求主体，这时候也能看到浏览器返回的响应是：ERR_INVALID_HTTP_RESPONSE，发送的响应无效。为什么？这是因为NIOServer中的输出格式HTTP协议不认识。
所以如果使用Java NIO实现一个HTTP服务器，需要处理很多的工作，但是如果用Netty实现一个HTTP服务器非常简单，直接上代码：

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.http.*;
import io.netty.handler.logging.LogLevel;
import io.netty.handler.logging.LoggingHandler;
import io.netty.util.CharsetUtil;

import java.util.List;
import java.util.Map;

public class HttpServer {

    private final int port;

    public HttpServer(int port) {
        this.port = port;
    }

    public void start() throws Exception {
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(bossGroup, workerGroup).channel(NioServerSocketChannel.class).handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO)).childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                @Override
                public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                    ChannelPipeline p = ch.pipeline();
                    //将原始的HTTP请求和响应数据进行编解码
                    p.addLast(new HttpServerCodec());
                    //将HTTP请求或响应的多个部分合并成一个完整的消息
                    p.addLast(new HttpObjectAggregator(65536));
                    p.addLast(new SimpleChannelInboundHandler<FullHttpRequest>() {
                        @Override
                        protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, FullHttpRequest request) {
                            //查询URI中的参数：
                            QueryStringDecoder decoder = new QueryStringDecoder(request.uri());
                            Map<String, List<String>> params = decoder.parameters();
                            System.out.println(params);
                            ByteBuf content = request.content();
                            //请求主体中的参数
                            String requestBody = content.toString(CharsetUtil.UTF_8);
                            System.out.println(requestBody);
                            String responseContent = "你好, Netty!";
                            FullHttpResponse response = new DefaultFullHttpResponse(request.protocolVersion(), HttpResponseStatus.OK, Unpooled.wrappedBuffer(responseContent.getBytes()));
                            response.headers().set(HttpHeaderNames.CONTENT_TYPE, HttpHeaderValues.TEXT_HTML + ";charset=utf-8");
                            response.headers().set(HttpHeaderNames.CONTENT_LENGTH, response.content().readableBytes());
                            ctx.writeAndFlush(response).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
                        }
                    });
                }
            });

            ChannelFuture f = b.bind(port).sync();
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int port = 8080;
        HttpServer server = new HttpServer(port);
        System.out.println("Server started on port " + port);
        server.start();
    }
}

运行这个示例后，你可以使用浏览器或者其他工具发送HTTP请求到 http://localhost:8080 ，一个HTTP服务器就诞生了，非常简单。接下来对代码进行讲解：

代码中的b.group(bossGroup, workerGroup)意思是有两个线程组会去处理服务器中的IO事件，bossGroup只用一个线程来专门负责监听服务端的端口，接收客户端连接请求，并将连接分配给 workerGroup 中的 EventLoop 进行处理;workerGroup负责处理已接收的连接的 I/O 事件，将请求解码、处理业务逻辑以及发送响应等操作都交给 EventLoop 来处理。这个是典型的主从Reactor模式，通过将连接的接收和处理分离到不同的线程池中，可以提高网络应用程序的性能，模型如下。

NioServerSocketChannel是指定服务器的Channel类型，还有NioDatagramChannel等类型，取决于应用场景。

.handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))是为bossGroup指定一个通道处理器，记录进出 Channel 的数据流，将相关信息打印到日志中，便于排查。

.childHandler()则是为workerGroup中的EventLoop配置处理器，比如请求解码、处理业务逻辑以及发送响应。ChannelPipeline就是添加具体的通道处理器，代码中的HttpServerCodec、HttpObjectAggregator处理器都是用来处理HTTP请求的编解码，SimpleChannelInboundHandler则是拿到经过多个处理器的数据流后进行业务逻辑及响应。

总结

Netty是一个非常优秀的、强大的、高性能的网络通信框架，在这个互联网飞速发展的时代，我们需要了解并且使用像这样的优秀的框架，帮助我们快速开发应用，在使用它的同时要知其原理，也可以在业务中进行创新，就像Dubbo、gRPC、Zookeeper一样采用Netty成为与其一样优秀的框架。