.net 二进制序列化 netty 二进制

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mob64ca140ce312 2023-08-09 22:14:00

文章标签 .net 二进制序列化数据自定义编解码器 文章分类 .Net 后端开发

一、netty编解码器机制

在Netty中，编解码器（Codec）是一种非常重要的机制。它们可以将二进制数据转换成Java对象，或者将Java对象转换成二进制数据，从而方便网络通信的实现。

Netty提供了多种编解码器，包括ByteToMessageDecoder、MessageToByteEncoder、ReplayingDecoder等。开发人员可以选择不同的编解码器来处理不同类型的消息。

以下是一个简单的示例，展示如何使用自定义编解码器实现消息的编解码：

public class Message {
    private int length;
    private String content;

    // 构造函数、getter和setter省略
}

public class MessageDecoder extends ByteToMessageDecoder {
    @Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {
        // 先判断是否足够读取一个int类型的长度信息
        if (in.readableBytes() < 4) {
            return;
        }

        // 读取长度信息并根据长度解析出消息内容
        in.markReaderIndex();
        int length = in.readInt();
        if (in.readableBytes() < length) {
            in.resetReaderIndex();
            return;
        }
        byte[] contentBytes = new byte[length];
        in.readBytes(contentBytes);
        String content = new String(contentBytes, Charset.forName("UTF-8"));

        // 将解析出的消息封装成Message对象，并输出日志
        Message message = new Message(length, content);
        System.out.println("Decode message: " + message.toString());

        // 将解析出的消息对象添加到List<Object>中，用于通知业务处理器
        out.add(message);
    }
}

public class MessageEncoder extends MessageToByteEncoder<Message> {
    @Override
    protected void encode(ChannelHandlerContext ctx, Message message, ByteBuf out) throws Exception {
        // 先写入消息的长度信息
        out.writeInt(message.getLength());

        // 再写入消息内容的字节数组
        out.writeBytes(message.getContent().getBytes(Charset.forName("UTF-8")));

        System.out.println("Encode message: " + message.toString());
    }
}

在上述代码中，我们定义了一个Message类，包含了消息的长度和内容。同时，我们实现了一个MessageDecoder编解码器，用于将二进制数据转换成Message对象；以及一个MessageEncoder编解码器，用于将Message对象转换成二进制数据。

具体来说，MessageDecoder继承了ByteToMessageDecoder，并重写了其中的decode方法，该方法会在接收到数据时被调用。在该方法中，我们先读取四个字节的长度信息，然后根据长度信息解析出消息的内容，将其封装成Message对象，并输出日志。最后，将Message对象添加到List<Object>中，用于通知业务处理器。

而MessageEncoder则继承了MessageToByteEncoder，并重写了其中的encode方法，该方法会在需要发送消息时被调用。在该方法中，我们先写入四个字节的长度信息，再写入消息内容的字节数组，并输出日志。

通过自定义编解码器的方式，我们可以很方便地实现消息的编解码，并且将其应用于Netty中，用于网络通信。

二、ProtoBuf机制

ProtoBuf全称为Protocol Buffers（协议缓冲区），是一种轻便高效的数据交换格式，可以用于跨语言、平台、进程之间的数据通信。ProtoBuf机制主要包括以下几个方面：

ProtoBuf定义文件：定义需要交换的数据结构，使用ProtoBuf语言描述各个字段的名称、类型和编码方式等信息，并生成相应的代码。
编码和解码：ProtoBuf支持多种编码方式，如Varint、Fixed32和Fixed64等，能够将定义好的消息对象序列化成二进制数据，或将二进制数据反序列化为消息对象。
跨语言支持：ProtoBuf通过生成各种语言的代码实现跨语言通信，支持Java、C++、Python、Go等多种编程语言。
可扩展性：ProtoBuf支持版本化和添加新字段等操作，能够在不影响已有功能的情况下进行扩展。
性能优越：ProtoBuf采用紧凑的二进制格式，比XML和JSON等文本格式更加节省空间，并且具备更快的编解码速度和更低的网络传输延迟。

总之，ProtoBuf机制提供了一种高效、可扩展、跨语言的数据序列化和反序列化方法，被广泛应用于分布式系统中的数据交换和存储等场景。

三、netty入站与出站机制

Netty中的入站和出站机制是指数据在网络传输过程中进入和离开应用程序的过程。入站数据是从网络中接收到的数据，出站数据是要发送到网络的数据。 Netty的入站和出站机制是通过ChannelPipeline实现的，ChannelPipeline本质上是一个事件处理器的链表。当有数据进入或离开Channel时，ChannelPipeline会按照链表中的顺序依次调用每个事件处理器的方法，完成数据的处理和转换。入站数据的处理流程：

数据从Channel读取到ByteBuf缓冲区中。
编解码器（如ProtobufDecoder）对ByteBuf中的数据进行解码，转换为业务对象。
业务逻辑处理器（如ServerHandler）对业务对象进行处理和转换，并生成需要发送的数据。
编解码器（如ProtobufEncoder）对需要发送的数据进行编码，转换为ByteBuf缓冲区中的数据。
Channel将ByteBuf缓冲区中的数据写入到网络中。出站数据的处理流程：
应用程序生成需要发送的数据，并将数据封装到ByteBuf缓冲区中。
编解码器（如ProtobufEncoder）对ByteBuf中的数据进行编码，转换为网络中的二进制数据。
Channel将网络中的二进制数据发送到远程节点。在Netty中，可以通过继承SimpleChannelInboundHandler和ChannelOutboundHandlerAdapter来实现入站和出站数据的处理逻辑。SimpleChannelInboundHandler是一个泛型类，表示处理入站数据的处理器，可以指定要处理的数据类型。ChannelOutboundHandlerAdapter是一个抽象类，表示处理出站数据的处理器。

四、handler链调用机制

在Netty中，ChannelPipeline中的每个处理器都是一个ChannelHandler，ChannelHandler在ChannelPipeline中按顺序组成了一个处理器链。当有数据进入或离开Channel时，ChannelPipeline会按照链表中的顺序依次调用每个ChannelHandler的方法，完成数据的处理和转换。 ChannelHandler的方法有两种类型：入站方法和出站方法。入站方法是用于处理从网络中接收到的数据，包括channelRegistered、channelUnregistered、channelActive、channelInactive、channelRead、channelReadComplete等方法。出站方法是用于处理将数据发送到网络中，包括write、flush等方法。在ChannelPipeline中，每个ChannelHandler都可以处理入站和出站事件，即可以实现入站方法和出站方法。当有数据进入或离开Channel时，ChannelPipeline会按照链表中的顺序依次调用每个ChannelHandler的方法，完成数据的处理和转换。对于入站事件，ChannelPipeline会从链表的头部开始调用ChannelHandler的入站方法，直到找到第一个处理器可以处理该事件为止。如果所有的处理器都不能处理该事件，则会调用ChannelPipeline中的exceptionCaught方法，将异常信息传递给最后一个处理器。对于出站事件，ChannelPipeline会从链表的尾部开始调用ChannelHandler的出站方法，直到找到第一个处理器可以处理该事件为止。如果所有的处理器都不能处理该事件，则会抛出异常。需要注意的是，当ChannelHandler的方法被调用时，需要调用下一个ChannelHandler的方法，可以通过调用ChannelHandlerContext的相应方法来实现。例如，在入站方法中，可以调用ctx.fireChannelRead(msg)方法来将数据传递给下一个ChannelHandler进行处理。总之，Netty的handler链调用机制是通过ChannelPipeline实现的，当有数据进入或离开Channel时，ChannelPipeline会按顺序调用每个ChannelHandler的方法，完成数据的处理和转换。

五、netty自定义协议解决Tcp粘包拆包

Netty可以通过自定义协议来解决TCP粘包和拆包的问题。一种常见的做法是在消息的前面加上消息长度信息，然后根据长度信息来拆分消息。具体实现方式可以使用LengthFieldBasedFrameDecoder等Netty提供的解码器。另外，也可以使用特定的分隔符或者固定长度来划分消息。无论采用哪种方式，关键是要保证发送方和接收方遵循相同的协议规则。

在使用TCP协议传输数据时，由于TCP是基于流的协议，数据可能会被切割成多个包发送，或多个包的数据可能会被拼接在一起发送，这就是TCP粘包和拆包问题。Netty提供了多种解决TCP粘包和拆包问题的方法，其中之一是自定义协议。自定义协议的实现步骤如下：

定义解码器和编码器：自定义协议需要实现自己的解码器和编码器。解码器用于将接收到的数据解码成业务对象，编码器用于将业务对象编码成字节流发送。 public class MyDecoder extends ByteToMessageDecoder {
@Override
protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {
// 判断是否有足够的字节可以读取
if (in.readableBytes() < 4) {
return;
}
// 标记读取位置
in.markReaderIndex();
// 读取数据长度
int length = in.readInt();
// 判断是否有足够的字节可以读取
if (in.readableBytes() < length) {
// 重置读取位置
in.resetReaderIndex();
return;
}
// 读取数据
byte[] data = new byte[length];
in.readBytes(data);
// 将字节数组转化为业务对象
Object obj = deserialize(data);
out.add(obj);
}
}
public class MyEncoder extends MessageToByteEncoder<Object> {
@Override
protected void encode(ChannelHandlerContext ctx, Object msg, ByteBuf out) throws Exception {
// 将业务对象转化为字节数组
byte[] data = serialize(msg);
// 写入数据长度和数据
out.writeInt(data.length);
out.writeBytes(data);
}
}
实现自定义协议：自定义协议需要定义消息类型、消息体等信息，具体实现方式根据业务需求而定。 public class MyMessage {
private int messageType;
private int messageLength;
private byte[] messageData;
// 省略getter和setter方法
}
在ChannelPipeline中添加解码器和编码器：在Netty的ChannelPipeline中添加自定义的解码器和编码器，以实现自定义协议的解码和编码。 public class MyServerInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
@Override
protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
// 添加解码器和编码器
pipeline.addLast(new MyDecoder());
pipeline.addLast(new MyEncoder());
// 添加业务处理器
pipeline.addLast(new MyServerHandler());
}
}
public class MyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
if (msg instanceof MyMessage) {
MyMessage message = (MyMessage) msg;
// 处理业务对象
...
}
}
}

六、netty服务器启动流程

Netty服务器启动流程如下：

创建ServerBootstrap对象，用于配置Netty服务器的启动参数，包括线程模型、连接数等。
配置线程模型。通过调用ServerBootstrap的group()方法设置两个EventLoopGroup对象：bossGroup和workerGroup。其中，bossGroup负责监听客户端连接请求，并将处理结果交由workerGroup处理。
配置通道类型。通过调用ServerBootstrap的channel()方法设置通道类型，例如NioServerSocketChannel。
配置子处理器（ChildHandler）。通过调用ServerBootstrap的childHandler()方法设置子处理器，即对每个新连接的IO事件进行处理的业务处理器。一般情况下，子处理器需要继承自ChannelInitializer类，实现initChannel()方法，在这个方法中为新连接的Channel添加各种处理器，比如编码器、解码器、心跳检测等。
绑定端口并启动。通过调用ServerBootstrap的bind()方法，绑定服务端监听的端口号，并启动Netty服务器。
关闭服务器。通过调用ServerBootstrap的close()方法，关闭Netty服务器。

在上述流程中，步骤4是比较关键的，因为它定义了具体的业务逻辑处理方式。Netty提供了丰富的ChannelHandler实现，可以方便地实现业务处理逻辑。

七、netty接收请求流程

Netty接收请求的流程如下：

当有一个客户端连接时，Netty会创建一个新的Channel对象并添加到EventLoop中。
当新的Channel对象被添加到EventLoop中时，EventLoop会注册关注该Channel的事件，例如读事件、写事件等。
当有数据到达该Channel时，Netty将触发ChannelInboundHandler的channelRead()方法，将数据作为参数传递给该方法。在这个方法中，可以对接收到的数据进行处理，例如解码、计算、存储等。
如果数据包比较大，可能会分成多个数据包发送，此时就需要考虑TCP粘包和拆包的问题，可以使用Netty提供的解码器来解决。
处理完接收到的数据后，如果需要向客户端返回数据，则可以调用ChannelHandlerContext的write()方法，并将要发送的数据或者ByteBuf对象作为参数传递给该方法。Netty会将待发送的数据缓存到内部的发送缓冲区（write buffer）中。
当发送缓冲区中有数据可写时，Netty会触发ChannelOutboundHandler的write()方法，将数据从缓冲区中写出。在这个方法中，可以对数据进行编码、加密、压缩等处理。
最终，将经过编码、加密、压缩处理过的数据通过网络发送给客户端。如果发送过程中发生异常，Netty会触发ChannelOutboundHandler的exceptionCaught()方法，用于处理发送异常。

八、Pipeline调用ChannelHandler流程

当Netty接收到一个请求时，它会按照注册的ChannelHandler的顺序依次调用每个ChannelHandler的方法，处理请求并将结果返回给客户端。这个过程中，Netty会使用Pipeline来管理ChannelHandler。

具体流程如下：

当有数据到达时，Netty将请求封装成NioSocketChannel对象（或者其他类型的Channel对象），然后将该对象添加到Pipeline中。
Pipeline会按照添加ChannelHandler的顺序依次调用每个ChannelHandler的channelRead()方法，并将请求作为参数传递给这个方法。如果当前ChannelHandler对请求进行了处理，则可以继续往下执行；否则可以直接将请求传递给下一个ChannelHandler进行处理。
在ChannelHandler中，可以通过ChannelHandlerContext对象访问到Pipeline、Channel等相关对象。例如，可以使用ChannelHandlerContext的write()方法将响应数据写入缓冲区，也可以使用Pipeline的addLast()方法将下一个ChannelHandler添加到Pipeline中。
当所有的ChannelHandler都处理完请求后，Netty会将响应数据从缓冲区中取出，经过网络传输发送给客户端。

需要注意的是，Pipeline中每个ChannelHandler的职责不同，一般情况下，每个ChannelHandler只负责特定的任务，比如解码、编码、业务处理等。在实际应用中，需要根据具体场景合理配置Pipeline，并编写相应的ChannelHandler来处理请求和响应。

九、任务加入异步线程池流程

Netty可以将任务提交给异步线程池进行处理，以避免阻塞IO线程。具体流程如下：

在ChannelHandler中，如果需要执行耗时的操作，可以使用Netty提供的EventExecutorGroup来创建专门的异步线程池。例如，可以在ChannelHandler的构造函数中创建一个单独的EventExecutorGroup对象。

EventExecutorGroup group = new DefaultEventExecutorGroup(16);

当需要执行耗时的操作时，可以使用ChannelHandlerContext的executor()方法获取到当前ChannelHandler所属的EventExecutor，并将任务提交到EventExecutor中。

ctx.executor().submit(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        // 耗时操作
    }
});

EventExecutor会为每个Channel分配一个专属的EventLoop线程，用于执行任务。当有任务需要执行时，EventLoop会从任务队列中取出任务并执行。
如果任务执行时间过长，可能会导致EventLoop线程阻塞，影响其他Channel的处理效率。因此，建议设置合理的线程池大小，并严格控制每个任务的执行时间。

需要注意的是，在使用异步线程池的同时，也需要考虑线程安全问题。一般情况下，需要确保多个线程修改同一资源时的安全性。可以通过锁、CAS等方式来保证线程安全。

十、RPC调用流程

Netty是一种常用的网络通信框架，也可以用来实现RPC调用。Netty中的RPC调用流程主要包括以下步骤：