Netty Bootstrap（图解）

疯狂创客圈 Java 分布式聊天室【亿级流量】实战系列之18 【博客园总入口】

Netty Bootstrap（图解）

源码工程

写在前面

大家好，我是作者尼恩。目前和几个小伙伴一起，组织了一个高并发的实战社群【疯狂创客圈】。正在开始高并发、亿级流程的 IM 聊天程序学习和实战，此文是是百万级流量 Netty 聊天器打造的系列文章的第18篇，这是一个基础篇，介绍Bootstrap。

顺便说明下：

本文的内容只是一个初稿、初稿，本文的知识，在《Netty Zookeeper Redis 高并发实战》一书时，进行大篇幅的完善和更新，并且进行的源码的升级。博客和书不一样，书的内容更加系统化、全面化，更加层层升入、层次分明、更多次的错误排查，请大家以书的内容为准。

本文的最终内容，具体请参考疯狂创客圈 倾力编著，机械工业出版社出版的《Netty Zookeeper Redis 高并发实战》一书。

图解几个重要概念

下面的几个概念，非常重要。

之前没有认真介绍，下面图解说明一下。

父子 channel

在 Netty 中, Channel 是一个 Socket 连接的抽象, 它为用户提供了关于底层 Socket 状态(是否是连接还是断开) 以及对 Socket 的读写等操作。

每当 Netty 建立了一个连接后, 都会有一个对应的 Channel 实例。

并且，有父子channel 的概念。服务器连接监听的channel ，也叫 parent channel。对应于每一个 Socket 连接的channel，也叫 child channel。

EventLoop 线程与线程组

在看本文之前，如果不明白 reactor 线程和reactor模式，请查看疯狂创客圈的专门文章：Reactor模式。

在Netty 中，每一个 channel 绑定了一个thread 线程。

一个 thread 线程，封装到一个 EventLoop ，多个EventLoop ，组成一个线程组 EventLoopGroup。

反过来说，EventLoop 这个相当于一个处理线程，是Netty接收请求和处理IO请求的线程。 EventLoopGroup 可以理解为将多个EventLoop进行分组管理的一个类，是EventLoop的一个组。

他们的对应关系，大致如下：

通道与Reactor线程组

这里主要是涉及的是服务器端。

服务器端，一般有设置两个线程组，监听连接的 parent channel 工作在一个独立的线程组，这里名称为boss线程组（有点像负责招人的包工头）。

连接成功后，负责客户端连接读写的 child channel 工作在另一个线程组，这里名称为 worker 线程组，专门负责搬数据（有点儿像搬砖）。

Channel 通道的类型

除了 TCP 协议以外, Netty 还支持很多其他的连接协议, 并且每种协议还有 NIO(异步 IO) 和 OIO(Old-IO, 即传统的阻塞 IO) 版本的区别。

不同协议不同的阻塞类型的连接都有不同的 Channel 类型与之对应，下面是一些常用的 Channel 类型:

NioSocketChannel, 代表异步的客户端 TCP Socket 连接.
NioServerSocketChannel, 异步的服务器端 TCP Socket 连接.
NioDatagramChannel, 异步的 UDP 连接
NioSctpChannel, 异步的客户端 Sctp 连接.
NioSctpServerChannel, 异步的 Sctp 服务器端连接.
OioSocketChannel, 同步的客户端 TCP Socket 连接.
OioServerSocketChannel, 同步的服务器端 TCP Socket 连接.
OioDatagramChannel, 同步的 UDP 连接
OioSctpChannel, 同步的 Sctp 服务器端连接.
OioSctpServerChannel, 同步的客户端 TCP Socket 连接.

启动器初步介绍

Bootstrap 是 Netty 提供的一个便利的工厂类，可以通过它来完成 Netty 的客户端或服务器端的 Netty 初始化。

当然，Netty 的官方解释说，可以不用这个启动器。

但是，一点点去手动创建channel 并且完成一些的设置和启动，会非常麻烦。还是使用这个便利的工具类，会比较好。

有两个启动器，分别应用在服务器和客户端。

如下图：

两个启动器大致的配置，都是相同的。

下面以服务器serverBootstrap 启动类为主要的介绍对象。

图解 Bootstrap执行流程

首先，创建了一个引导器 ServerBootstrap 实例，这个专门用于引导服务端的启动工作，直接new 创建即可。（客户端的引导器差不多，不过是创建Bootstrap 实例）

// 启动引导器

private static ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();

启动一个Bootstrap，大致有8步，如下图：

代码如下：

    try {   //1 设置reactor 线程

            b.group(bossLoopGroup, workerLoopGroup);

            //2 设置nio类型的channel

            b.channel(NioServerSocketChannel.class);

            //3 设置监听端口

            b.localAddress(new InetSocketAddress(port));

            //4 设置通道选项

            b.option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true);

            b.option(ChannelOption.ALLOCATOR, PooledByteBufAllocator.DEFAULT);

            //5 装配流水线

            b.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>()

            {

                //有连接到达时会创建一个channel

                protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception

                {

                    ch.pipeline().addLast(new ProtobufDecoder());

                    ch.pipeline().addLast(new ProtobufEncoder());

                    // pipeline管理channel中的Handler

                    // 在channel队列中添加一个handler来处理业务

                    ch.pipeline().addLast("serverHandler", serverHandler);

                }

            });

            // 6 开始绑定server

            // 通过调用sync同步方法阻塞直到绑定成功

            ChannelFuture channelFuture = b.bind().sync();

            LOGGER.info(ChatServer.class.getName() +

                    " started and listen on " +

                    channelFuture.channel().localAddress());

            // 7 监听通道关闭事件

            // 应用程序会一直等待，直到channel关闭

            ChannelFuture closeFuture=  channelFuture.channel().closeFuture();

            closeFuture.sync();

        } catch (Exception e)

        {

            e.printStackTrace();

        } finally

        {

            // 8 优雅关闭EventLoopGroup，

            // 释放掉所有资源包括创建的线程

            workerLoopGroup.shutdownGracefully();

            bossLoopGroup.shutdownGracefully();

        }

接下来就是精彩的8个步骤。

1：设置reactor 线程组

在设置 reactor 反应器线程组之前，创建了两个 NioEventLoopGroup 线程组：

bossLoopGroup 表示服务器连接监听线程组，专门接受 accept 新的客户端client 连接
workerGroup 表示处理每一条连接的数据收发的线程组

在线程组和启动器都创建完成后，就可以开始设置线程组：通过 b.group(bossGroup, workerGroup) 方法，给引导器配置两大线程组。

配置完成之后，整个引导类的 reactor 线程正式确定。这里确定的工作模式，为父子线程的模型。

也可以不设置两个线程组，只设置一个线程组。

如果只设置一个线程组，具体的方法为 —— b.group( workerGroup) 。

配置完成一个线程组，则所有的 channel ，包括服务监听通道父亲channel 和所有的子channel ，都工作在同一个线程组中。

说明一下，一个线程组，可不止一条线程哈。

2 ：设置通道的IO类型

Netty 不止支持 Java NIO ，也支持阻塞式的 BIO （在Netty 中叫做OIO）。

这里配置的是NIO，方法如下。

//2 设置nio类型的channel

b.channel(NioServerSocketChannel.class);

如果想指定 IO 模型为 BIO，那么这里配置上Netty的 OioServerSocketChannel.class 类型即可。由于NIO 的优势巨大，通常不会在Netty中使用BIO。

3：设置监听端口

 //3 设置监听端口

 b.localAddress(new InetSocketAddress(port));

这是最为简单的一步操作。

4：设置通道参数

childOption() 方法

给每条child channel 连接设置一些TCP底层相关的属性，比如上面，我们设置了两种TCP属性，其中 ChannelOption.SO_KEEPALIVE表示是否开启TCP底层心跳机制，true为开
option() 方法

对于server bootstrap而言，这个方法，是给parent channel 连接设置一些TCP底层相关的属性。

TCP连接的参数详细介绍如下。

option设置的参数：

SO_RCVBUF ，SO_SNDBUF

这两个选项就是来设置TCP连接的两个buffer尺寸的。

每个TCP socket在内核中都有一个发送缓冲区和一个接收缓冲区，TCP的全双工的工作模式以及TCP的滑动窗口便是依赖于这两个独立的buffer以及此buffer的填充状态。

SO_SNDBUF

Socket参数，TCP数据发送缓冲区大小。该缓冲区即TCP发送滑动窗口，linux操作系统可使用命令：cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_smem 查询其大小。

TCP_NODELAY

TCP参数，立即发送数据，默认值为Ture（Netty默认为True而操作系统默认为False）。该值设置Nagle算法的启用，改算法将小的碎片数据连接成更大的报文来最小化所发送的报文的数量，如果需要发送一些较小的报文，则需要禁用该算法。Netty默认禁用该算法，从而最小化报文传输延时。

这个参数，与是否开启Nagle算法是反着来的，true表示关闭，false表示开启。通俗地说，如果要求高实时性，有数据发送时就马上发送，就关闭，如果需要减少发送次数减少网络交互，就开启。

SO_KEEPALIVE

底层TCP协议的心跳机制。Socket参数，连接保活，默认值为False。启用该功能时，TCP会主动探测空闲连接的有效性。可以将此功能视为TCP的心跳机制，需要注意的是：默认的心跳间隔是7200s即2小时。Netty默认关闭该功能。

SO_REUSEADDR

Socket参数，地址复用，默认值False。有四种情况可以使用：

(1).当有一个有相同本地地址和端口的socket1处于TIME_WAIT状态时，而你希望启动的程序的socket2要占用该地址和端口，比如重启服务且保持先前端口。

(2).有多块网卡或用IP Alias技术的机器在同一端口启动多个进程，但每个进程绑定的本地IP地址不能相同。

(3).单个进程绑定相同的端口到多个socket上，但每个socket绑定的ip地址不同。(4).完全相同的地址和端口的重复绑定。但这只用于UDP的多播，不用于TCP。

SO_LINGER

Socket参数，关闭Socket的延迟时间，默认值为-1，表示禁用该功能。-1表示socket.close()方法立即返回，但OS底层会将发送缓冲区全部发送到对端。0表示socket.close()方法立即返回，OS放弃发送缓冲区的数据直接向对端发送RST包，对端收到复位错误。非0整数值表示调用socket.close()方法的线程被阻塞直到延迟时间到或发送缓冲区中的数据发送完毕，若超时，则对端会收到复位错误。

SO_BACKLOG

Socket参数，服务端接受连接的队列长度，如果队列已满，客户端连接将被拒绝。默认值，Windows为200，其他为128。

 b.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)

表示系统用于临时存放已完成三次握手的请求的队列的最大长度，如果连接建立频繁，服务器处理创建新连接较慢，可以适当调大这个参数.

SO_BROADCAST

Socket参数，设置广播模式。

5: 装配流水线

ChannelPipeline 这是Netty处理请求的责任链，这是一个ChannelHandler的链表，而ChannelHandler就是用来处理网络请求的内容的。

每一个channel ，都有一个处理器流水线。

装配 child channel 流水线，调用 childHandler()方法，传递一个ChannelInitializer 的实例。

在 child channel 创建成功，开始通道初始化的时候，在bootstrap启动器中配置的 ChannelInitializer 实例就会被调用。

这个时候，才真正的执行去执行 initChannel 初始化方法，开始通道流水线装配。

流水线装配，主要是在流水线pipeline 的后面，增加负责数据读写、处理业务逻辑的handler。

 b.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>()

            {

                //有连接到达时会创建一个channel

                protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception

                {

                    ch.pipeline().addLast(new ProtobufDecoder());

                    ch.pipeline().addLast(new ProtobufEncoder());

                    // pipeline管理channel中的Handler

                    // 在channel队列中添加一个handler来处理业务

                    ch.pipeline().addLast("serverHandler", serverHandler);

                }

            });

说明一下，ChannelInitializer这个类中，有一个泛型参数 SocketChannel，这里的类型，需要和前面的Channel类型对应上。

顺便说一下处理器。

处理器 ChannelHandler 用来处理网络请求内容，有ChannelInboundHandler和ChannelOutboundHandler两种，ChannlPipeline会从头到尾顺序调用ChannelInboundHandler处理网络请求内容，从尾到头调用ChannelOutboundHandler 处理网络请求内容。

pipeline 流水线的图，大致如下：

如何装配parent 通道呢？

使用serverBootstrap.handler() 方法。 handler()方法，可以和前面分析的childHandler()方法对应起来。childHandler()用于指定处理新连接数据的读写处理逻辑。 handler()方法装配parent 通道。

比方说：

serverBootstrap.handler(new ChannelInitializer()

 {

	protected void initChannel(NioServerSocketChannel ch)

	{

        System.out.println("服务端启动中");

     }

 }

)

handler()用于指定在服务端启动过程中的一些逻辑，通常情况下呢，我们用不着这个方法。

6：开始绑定server

    // 通过调用sync同步方法阻塞直到绑定成功

    ChannelFuture channelFuture = b.bind().sync();

        LOGGER.info(ChatServer.class.getName() +

                " started and listen on " +

                channelFuture.channel().localAddress());

这个也很简单。

7： ChannelFuture

ChannelFuture 在Netty中的所有的I/O操作都是异步执行的，这就意味着任何一个I/O操作会立刻返回，不保证在调用结束的时候操作会执行完成。因此，会返回一个ChannelFuture的实例，通过这个实例可以获取当前I/O操作的状态。

            // 7 监听通道关闭事件

            // 应用程序会一直等待，直到channel关闭

            ChannelFuture closeFuture=  channelFuture.channel().closeFuture();

            closeFuture.sync();

对于客户端来说，Bootstrap是开发netty客户端的基础,通过Bootstrap的connect方法来连接服务器端。该方法返回的也是ChannelFuture。

8 优雅关闭EventLoopGroup

        // 8 优雅关闭EventLoopGroup，

        // 释放掉所有资源包括创建的线程

        workerLoopGroup.shutdownGracefully();

        bossLoopGroup.shutdownGracefully();

这个，会关闭所有的child channel，这是非常重要的。

关闭之后，会释放掉底层的资源，如TCP Socket 文件描述符，等等。

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