Netty中的Channel之数据冲刷与线程安全(writeAndFlush)

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前言

本文预设读者已经了解了一定的Netty基础知识,并能够自己构建 一个Netty的通信服务(包括客户端与服务端) 。那么你一定使用到了Channel,这是Netty对传统JavaIO、NIO的链接封装实例。

那么接下来让我们来了解一下关于 Channel的数据冲刷与线程安全 吧。

数据冲刷的步骤

1、获取一个链接实例

@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
    //获取链接实例
    Channel channel = ctx.channel();
}

我将案例放在初学者最熟悉的channelRead方法中,这是 一个数据接收的方法 ,我们自实现Netty的消息处理接口时需要重写的方法。即客户端发送消息后,这个方法会被触发调用,所以我们在这个方法中进行本次内容的讲解。

由上一段代码,其实目前还是很简单,我们借助 ChannelHandlerContext(这是一个ChannelHandler与ChannelPipeline相交互并对接的一个对象 。如下是源码的解释)来获取目前的链接实例Channel。

/* Enables a {@link ChannelHandler} to interact with its {@link ChannelPipeline}
 * and other handlers. Among other things a handler can notify the next {@link ChannelHandler} in the
 * {@link ChannelPipeline} as well as modify the {@link ChannelPipeline} it belongs to dynamically.
 */
 public interface ChannelHandlerContext extends AttributeMap, ChannelInboundInvoker, ChannelOutboundInvoker {
     //......
 }

2、创建一个持有数据的ByteBuf

@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
    //获取链接实例
    Channel channel = ctx.channel();
    //创建一个持有数据的ByteBuf
    ByteBuf buf = Unpooled.copiedBuffer("data", CharsetUtil.UTF_8);
}

ByteBuf又是什么呢?

它是Netty框架自己封装的 一个字符底层对象 ,是一个对 byte[] 和 ByteBuffer NIO 的抽象类,更官网的说就是“零个或多个字节的随机和顺序可访问的序列。”,如下是源码的解释

/**
 * A random and sequential accessible sequence of zero or more bytes (octets).
 * This interface provides an abstract view for one or more primitive byte
 * arrays ({@code byte[]}) and {@linkplain ByteBuffer NIO buffers}.
 */
 public abstract class ByteBuf implements ReferenceCounted, Comparable<ByteBuf> {
     //......
 }

由上一段源码可以看出,ByteBuf是一个抽象类,所以我们不能通过 new 的形式来创建一个新的ByteBuf对象。那么我们可以通过Netty提供的 一个 final 的工具类 Unpooled (你将其看作是一个创建ByteBuf的工具类就好了)。

/**
 * Creates a new {@link ByteBuf} by allocating new space or by wrapping
 * or copying existing byte arrays, byte buffers and a string.
 */
 public final class Unpooled {
     //......
 }

这真是一个有趣的过程,那么接下来我们仅需要再看看 copiedBuffer 这个方法了。这个方法相对简单,就是我们将创建 一个新的缓冲区 ,其内容是我们指定的 UTF-8字符集 编码指定的 “data” ,同时这个新的缓冲区的读索引和写索引分别是0和字符串的长度。

3、冲刷数据

@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
    //获取链接实例
    Channel channel = ctx.channel();
    //创建一个持有数据的ByteBuf
    ByteBuf buf = Unpooled.copiedBuffer("data", CharsetUtil.UTF_8);
    //数据冲刷
    channel.writeAndFlush(buf);
}

我相信大部分人都是直接这么写的,因为我们经常理所当然的启动测试,并在客户端接受到了这个 “data” 消息。那么我们是否应该注意一下, 这个数据冲刷会返回一个什么值 ,我们要如何才能在服务端知道, 这次数据冲刷是成功还是失败呢?

那么其实Netty框架已经考虑到了这个点,本次数据冲刷我们将得到一个 ChannelFuture 。

@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
    //获取链接实例
    Channel channel = ctx.channel();
    //创建一个持有数据的ByteBuf
    ByteBuf buf = Unpooled.copiedBuffer("data", CharsetUtil.UTF_8);
    //数据冲刷
    ChannelFuture cf = channel.writeAndFlush(buf);
}

是的,他就是 Channel 异步IO操作的结果,它是一个接口,并继承了Future<V>。(如下为源码的解释)

/**
 * The result of an asynchronous {@link Channel} I/O operation.
 */
 public interface ChannelFuture extends Future<Void> {
     //......
 }

既然如此,那么我们可以明显的知道我们可以对其添加对应的监听。

4、异步回调结果监听

@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
    //获取链接实例
    Channel channel = ctx.channel();
    //创建一个持有数据的ByteBuf
    ByteBuf buf = Unpooled.copiedBuffer("data", CharsetUtil.UTF_8);
    //数据冲刷
    ChannelFuture cf = channel.writeAndFlush(buf);
    //添加ChannelFutureListener以便在写操作完成后接收通知
    cf.addListener(new ChannelFutureListener() {
        @Override
        public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {
            //写操作完成,并没有错误发生
            if (future.isSuccess()){
                System.out.println("successful");
            }else{
                //记录错误
                System.out.println("error");
                future.cause().printStackTrace();
            }
        }
    });
}

好的,我们可以简单的从代码理解到,我们将通过对异步IO的结果监听,得到本次运行的结果。我想这才是一个相对完整的 数据冲刷(writeAndFlush)

测试线程安全的流程

对于线程安全的测试,我们将模拟多个线程去执行数据冲刷操作,我们可以用到 Executor

我们可以这样理解 Executor ,是 一种省略了线程启用与调度的方式 ,你只需要传递一个 Runnable 给它即可,你不再需要去 start 一个线程。(如下是源码的解释)

/**
 * An object that executes submitted {@link Runnable} tasks. This
 * interface provides a way of decoupling task submission from the
 * mechanics of how each task will be run, including details of thread
 * use, scheduling, etc.  An {@code Executor} is normally used
 * instead of explicitly creating threads. For example, rather than
 * invoking {@code new Thread(new(RunnableTask())).start()} for each
 * of a set of tasks, you might use:...
 */
 public interface Executor {
     //......
 }

那么我们的测试代码,大致是这样的。

final Channel channel = ctx.channel();
//创建要写数据的ByteBuf
final ByteBuf buf = Unpooled.copiedBuffer("data",CharsetUtil.UTF_8).retain();
//创建将数据写到Channel的Runnable
Runnable writer = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        ChannelFuture cf = channel.writeAndFlush(buf.duplicate());
        cf.addListener(new ChannelFutureListener() {
            @Override
            public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {
                //写操作完成,并没有错误发生
                if (future.isSuccess()){
                    System.out.println("successful");
                }else{
                    //记录错误
                    System.out.println("error");
                    future.cause().printStackTrace();
                }
            }
        });
    }
};

//获取到线程池的Executor的引用
Executor executor = Executors.newCachedThreadPool();

//提交到某个线程中执行
executor.execute(writer);

//提交到另一个线程中执行
executor.execute(writer);

这里,我们需要 注意 的是:

创建 ByteBuf 的时候,我们使用了 retain 这个方法,他是将我们生成的这个 ByteBuf 进行 保留操作

在 ByteBuf 中有这样的一种区域: 非保留和保留派生缓冲区

这里有点复杂,我们可以简单的理解,如果调用了 retain 那么数据就存在派生缓冲区中,如果没有调用,则会在调用后,移除这一个字符数据。(如下是 ByteBuf 源码的解释)

/*<h4>Non-retained and retained derived buffers</h4>
 *
 * Note that the {@link #duplicate()}, {@link #slice()}, {@link #slice(int, int)} and {@link #readSlice(int)} does NOT
 * call {@link #retain()} on the returned derived buffer, and thus its reference count will NOT be increased. If you
 * need to create a derived buffer with increased reference count, consider using {@link #retainedDuplicate()},
 * {@link #retainedSlice()}, {@link #retainedSlice(int, int)} and {@link #readRetainedSlice(int)} which may return
 * a buffer implementation that produces less garbage.
 */

好的,我想你可以自己动手去测试一下,最好再看看源码,加深一下实现的原理印象。

这里的线程池并不是现实线程安全,而是用来做测试多线程的,Netty的Channel实现是线程安全的,所以我们可以存储一个到Channel的引用,并且每当我们需要向远程节点写数据时,都可以使用它,即使当时许多线程都在使用它,消息也会被保证按顺序发送的。

结语

最后,介绍一下,个人的一个基于Netty的开源项目: InChat

一个轻量级、高效率的支持多端(应用与硬件Iot)的异步网络应用通讯框架

参考资料: 《Netty实战》

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