netty 对 protobuf 协议的解码与包装探究(2)

netty 默认支持protobuf 的封装与解码，如果通信双方都使用netty则没有什么障碍，但如果客户端是其它语言（C#）则需要自己仿写与netty一致的方式（解码+封装），提前是必须很了解netty是如何进行封装与解码的。这里主要通过读源码主要类ProtobufVarint32FrameDecoder(解码)+ProtobufVarint32LengthFieldPrepender(封装) 来解析其原理与实现。

文章来源http://www.cnblogs.com/tankaixiong

一，支持protobuf 协议的默认实现

//配置服务端NIO线程组
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try{
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(bossGroup, workerGroup)
                .channel(NioServerSocketChannel.class)
                .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)
                .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))
                .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {  

                    @Override
                    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                        ch.pipeline()
                        .addLast(new ProtobufVarint32FrameDecoder())
                        .addLast(new ProtobufDecoder(
                                SubscribeReqProto.SubscribeReq.getDefaultInstance()))
                        .addLast(new ProtobufVarint32LengthFieldPrepender())
                        .addLast(new ProtobufEncoder())
                        .addLast(new SubReqServerHandler());
                    }  

                });
            //绑定端口，同步等待成功
            ChannelFuture f = b.bind(port).sync();
            //等待服务端监听端口关闭
            f.channel().closeFuture().sync();  

        }finally{
            //退出时释放资源
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }

以上是提供的默认实现。关键在于ProtobufVarint32FrameDecoder,ProtobufVarint32LengthFieldPrepender类。

二，ProtobufVarint32LengthFieldPrepender 编码类

An encoder that prepends the the Google Protocol Buffers 128 Varints integer length field.

* BEFORE DECODE (300 bytes)       AFTER DECODE (302 bytes)
* +---------------+               +--------+---------------+
* | Protobuf Data |-------------->| Length | Protobuf Data |
* |  (300 bytes)  |               | 0xAC02 |  (300 bytes)  |
* +---------------+               +--------+---------------+

从类的说明来看， proto 消息格式如：Length + Protobuf Data (消息头+消息数据) 方式，这里特别需要注意的是头长使用的是varints方式不是int ，消息头描述消息数据体的长度。为了更减少传输量，消息头采用的是varint 格式。

什么是varint?

文章来源http://www.cnblogs.com/tankaixiongVarint 是一种紧凑的表示数字的方法。它用一个或多个字节来表示一个数字，值越小的数字使用越少的字节数。这能减少用来表示数字的字节数。 Varint 中的每个 byte 的最高位 bit 有特殊的含义，如果该位为 1，表示后续的 byte 也是该数字的一部分，如果该位为 0，则结束。其他的 7 个 bit 都用来表示数字。因此小于 128 的数字都可以用一个 byte 表示。大于 128 的数字，会用两个字节。

更多可参见我上篇文章

最大的区别是消息头它不是固定长度（常见是的使用INT 4个字节固定长度），Varint它用一个或多个字节来表示一个数字决定它不是固定长度！

ProtobufVarint32LengthFieldPrepender 类的主要方法如下：

@Override
    protected void encode(
            ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf msg, ByteBuf out) throws Exception {
        int bodyLen = msg.readableBytes();
        int headerLen = CodedOutputStream.computeRawVarint32Size(bodyLen);
        out.ensureWritable(headerLen + bodyLen);

        CodedOutputStream headerOut =
                CodedOutputStream.newInstance(new ByteBufOutputStream(out), headerLen);
        headerOut.writeRawVarint32(bodyLen);
        headerOut.flush();

        out.writeBytes(msg, msg.readerIndex(), bodyLen);
    }

CodedOutputStream 主要是针对与varints相关操作类。 先看是如何写消息头的，得到bodyLen 消息体长度然后调用computeRawVarint32Size()计算需要多少个字节，

public static int computeRawVarint32Size(final int value) {
    if ((value & (0xffffffff <<  7)) == 0) return 1;
    if ((value & (0xffffffff << 14)) == 0) return 2;
    if ((value & (0xffffffff << 21)) == 0) return 3;
    if ((value & (0xffffffff << 28)) == 0) return 4;
    return 5;
  }

0xffffffff << 7 二进制表示11111111111111111111111110000000 ,当与value &计算=0则表示value最大只会是000000000000000000000001111111，一个字节足以。

通过&运算得出使用多少个字节就可以表示当前数字。左移7位是与Varint定义相关，第一位需要保留给标识（1表示后续的 byte 也是该数字的一部分，0则结束）。要表示 int 32位 和多加的每个字节第一个标识位，多出了4位，所以就最大会有5个字节。

得到了varints值，然后如何写入out? 再看关键方法writeRawVarint32()。

public void writeRawVarint32(int value) throws IOException {
    while (true) {
      //0x7F为127
      if ((value & ~0x7F) == 0) {//是否小于127，小于则一个字节就可以表示了
        writeRawByte(value);
        return;
      } else {
        writeRawByte((value & 0x7F) | 0x80);//因不于小127，加一高位标识
        value >>>= 7;//右移7位，再递归
      }
    }
  }
    /** Write a single byte. */
  public void writeRawByte(final byte value) throws IOException {
    if (position == limit) {
      refreshBuffer();
    }

    buffer[position++] = value;
  }

  private void refreshBuffer() throws IOException {
    if (output == null) {
      // We're writing to a single buffer.
      throw new OutOfSpaceException();
    }

    // Since we have an output stream, this is our buffer
    // and buffer offset == 0
    output.write(buffer, 0, position);
    position = 0;
  }

byte 的取值(-128~127) , 0x7F为127 , 0x80为128

循环取后7位，如果小于127则结束，不小于第一位加标识位1。 因为循环右移所以，实际位置颠倒了，解码时需要倒过来再拼接。

消息头因为是varint32可变字节，所以比较复杂些，消息体简单直接writeBytes即可。

二，ProtobufVarint32FrameDecoder 解码类

同样对应CodedOutputStream有CodedInputStream类，操作解码时的varints。

@Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {
        in.markReaderIndex();
        final byte[] buf = new byte[5];
        for (int i = 0; i < buf.length; i ++) {
            if (!in.isReadable()) {
                in.resetReaderIndex();
                return;
            }

            buf[i] = in.readByte();
            if (buf[i] >= 0) {
                int length = CodedInputStream.newInstance(buf, 0, i + 1).readRawVarint32();
                if (length < 0) {
                    throw new CorruptedFrameException("negative length: " + length);
                }

                if (in.readableBytes() < length) {
                    in.resetReaderIndex();
                    return;
                } else {
                    out.add(in.readBytes(length));
                    return;
                }
            }
        }

        // Couldn't find the byte whose MSB is off.
        throw new CorruptedFrameException("length wider than 32-bit");
    }

前面说明了最大长度为5个字节所以这里声明了5个长度的字节来读取消息头。

buf[i] >= 0 这里为什么是>0然后就可以解码了呢？

还是这句话：varints第一位表示后续的byte是否是该数字的一部分！

如果字节第一位为1则表示后续还有字节是表示消息头，当这个字节的第一位为1则这个字节肯定是负数（字节最高位表示正负），大于等于0表示描述消息体长度的数字已经读完了。

然后调用readRawVarint32() 还原成int ，与之前 writeRawVarint32()反其道而行。

public int readRawVarint32() throws IOException {
   byte tmp = readRawByte();
   if (tmp >= 0) {
     return tmp;
   }
   int result = tmp & 0x7f;
   if ((tmp = readRawByte()) >= 0) {
     result |= tmp << 7;
   } else {
     result |= (tmp & 0x7f) << 7;
     if ((tmp = readRawByte()) >= 0) {
       result |= tmp << 14;
     } else {
       result |= (tmp & 0x7f) << 14;
       if ((tmp = readRawByte()) >= 0) {
         result |= tmp << 21;
       } else {
         result |= (tmp & 0x7f) << 21;
         result |= (tmp = readRawByte()) << 28;
         if (tmp < 0) {
           // Discard upper 32 bits.
           for (int i = 0; i < 5; i++) {
             if (readRawByte() >= 0) {
               return result;
             }
           }
           throw InvalidProtocolBufferException.malformedVarint();
         }
       }
     }
   }
   return result;
 }

取第N字节左移7*N位或|第一个字节拼接，实现了倒序拼接，最后得到了消息体长度。然后根据得到的消息体长度读取数据，如果消息体长度不够则回滚到markReaderIndex，等待数据。

四，总结

文章来源http://www.cnblogs.com/tankaixiong本文主要详细介绍了netty 对 protobuf 协议的解码与包装。重点在消息头 varint32的 算法表示上进行了说明。了解了varint32在协议中的实现，方便应用在其语言对接。