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| 關於作者： |
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李林锋：Netty中国推广者，现华为技术有限公司平台中间件架构与设计部设计师，公司总裁技术创新奖获得者。长期从事高性能通信软件的架构设计和开发工作，有多年在NIO领域的设计、开发和运维经验，精通NIO编程和Netty、Mina等主流NIO框架。目前负责华为软件公司下一代SOA中间件和PaaS平台的架构设计工作。
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| 目錄：
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基础篇走进Java NIO
第1 章Java 的IO 演进之路.2
1.1 IO 基础入门...............3
1.1.1 Linux 网络IO 模型简介.......3
1.1.2 IO 多路复用技术.................6
1.2 Java 的IO 演进..........8
1.3 总结............................
10
第2 章NIO 入门.................... 11
2.1 传统的BIO 编程....... 11
2.1.1 BIO 通信模型图..................
12
2.1.2 同步阻塞式IO 创建的TimeServer 源码分析.............
13
2.1.3 同步阻塞式IO 创建的TimeClient 源码分析..........
16
2.2 伪异步IO 编程........ 18
2.2.1 伪异步IO 模型图.............. 19
2.2.2 伪异步IO 创建的TimeServer 源码分析..... 19
2.2.3 伪异步IO 弊端分析........... 21
2.3 NIO 编程....................
24
2.3.1 NIO 类库简介.. 24
2.3.2 NIO 服务端序列图..............
28
2.3.3 NIO 创建的TimeServer 源码分析................ 30
2.3.4 NIO 客户端序列图..............
36
2.3.5 NIO 创建的TimeClient 源码分析................ 39
2.4 AIO 编程....................
45
2.4.1 AIO 创建的TimeServer 源码分析................ 46
2.4.2 AIO 创建的TimeClient 源码分析................ 51
2.4.3 AIO 版本时间服务器运行结果....................
56
2.5 4 种IO 的对比......... 58
2.5.1 概念澄清.......... 58
2.5.2 不同IO 模型对比.............. 59
2.6 选择Netty 的理由..... 60
2.6.1 不选择Java 原生NIO 编程的原因............... 61
2.6.2 为什么选择Netty
................ 62
2.7 总结............................
63
入门篇 Netty NIO 开发指南
第3 章Netty 入门应用.......... 66
3.1 Netty 开发环境的搭建................
66
3.1.1 下载Netty 的软件包........... 67
3.1.2 搭建Netty 应用工程........... 67
3.2 Netty 服务端开发...... 68
3.3 Netty 客户端开发...... 73
3.4 运行和调试................ 76
3.4.1 服务端和客户端的运行...... 76
3.4.2 打包和部署...... 77
3.5 总结............................
77
第4 章TCP 粘包拆包问题的解决之道...... 79
4.1 TCP 粘包拆包.......... 79
4.1.1 TCP 粘包拆包问题说明..... 80
4.1.2 TCP 粘包拆包发生的原因....... 80
4.1.3 粘包问题的解决策略.......... 81
4.2 未考虑TCP 粘包导致功能异常案例................. 82
4.2.1 TimeServer 的改造..............
82
4.2.2 TimeClient 的改造...............
83
4.2.3 运行结果.......... 84
4.3 利用LineBasedFrameDecoder 解决TCP 粘包问题................ 85
4.3.1 支持TCP 粘包的TimeServer ....................... 86
4.3.2 支持TCP 粘包的TimeClient........................ 88
4.3.3 运行支持TCP 粘包的时间服务器程序........ 90
4.3.4 LineBasedFrameDecoder 和StringDecoder 的原理分析...........
91
4.4 总结............................
92
第5 章分隔符和定长解码器的应用...... 93
5.1 DelimiterBasedFrameDecoder 应用开发............. 94
5.1.1 DelimiterBasedFrameDecoder 服务端开发.... 94
5.1.2 DelimiterBasedFrameDecoder 客户端开发.... 97
5.1.3 运行DelimiterBasedFrameDecoder 服务端和客户端............... 99
5.2 FixedLengthFrameDecoder 应用开发............... 101
5.2.1 FixedLengthFrameDecoder 服务端开发...... 101
5.2.2 利用telnet 命令行测试EchoServer 服务端......103
5.3 总结..........................
104
中级篇 Netty 编解码开发指南
第6 章编解码技术.............. 106
6.1 Java 序列化的缺点 ......
107
6.1.1 无法跨语言.... 107
6.1.2 序列化后的码流太大........ 107
6.1.3 序列化性能太低................
110
6.2 业界主流的编解码框架............
113
6.2.1 Google 的Protobuf 介绍.... 113
6.2.2 Facebook 的Thrift 介绍.... 115
6.2.3 JBoss Marshalling 介绍..... 116
6.3 总结..........................
117
第7 章MessagePack 编解码............... 118
7.1 MessagePack 介绍... 118
7.1.1 MessagePack 多语言支持.. 119
7.1.2 MessagePack Java API 介绍........................ 119
7.1.3 MessagePack 开发包下载. 120
7.2 MessagePack 编码器和解码器开发.................
120
7.2.1 MessagePack 编码器开发....... 120
7.2.2 MessagePack 解码器开发 ...... 121
7.2.3 功能测试........ 121
7.3 粘包半包支持......... 124
7.4 总结..........................
127
第8 章Google Protobuf 编解码.......... 128
8.1 Protobuf 的入门....... 129
8.1.1 Protobuf 开发环境搭建..... 129
8.1.2 Protobuf 编解码开发.........
131
8.1.3 运行Protobuf 例程............ 133
8.2 Netty 的Protobuf 服务端开发.. 133
8.2.1 Protobuf 版本的图书订购服务端开发........
134
8.2.2 Protobuf 版本的图书订购客户端开发........
136
8.2.3 Protobuf 版本的图书订购程序功能测试....
139
8.3 Protobuf 的使用注意事项.........
140
8.4 总结..........................
142
第9 章JBoss Marshalling 编解码....... 143
9.1 Marshalling 开发环境准备........
143
9.2 Netty 的Marshalling 服务端开发..................... 144
9.3 Netty 的Marshalling 客户端开发..................... 147
9.4 运行Marshalling 客户端和服务端例程........... 149
9.5 总结..........................
150
高级篇 Netty 多协议开发和应用
第10 章HTTP 协议开发应用............... 154
10.1 HTTP 协议介绍..... 155
10.1.1 HTTP 协议的URL
.......... 155
10.1.2 HTTP 请求消息（HttpRequest）.............. 155
10.1.3 HTTP 响应消息（HttpResponse）........... 158
10.2 Netty HTTP 服务端入门开发.......
159
10.2.1 HTTP 服务端例程场景描述.....................
160
10.2.2 HTTP 服务端开发...........
160
10.2.3 Netty HTTP 文件服务器例程运行结果....
166
10.3 Netty HTTP+XML 协议栈开发.......................
170
10.3.1 开发场景介绍.................
171
10.3.2 HTTP+XML 协议栈设计.......174
10.3.3 高效的XML 绑定框架JiBx ..................... 175
10.3.4 HTTP+XML 编解码框架开发..................
183
10.3.5 HTTP+XML 协议栈测试....... 199
10.3.6 小结.............
201
10.4 总结........................
202
第11 章WebSocket 协议开发............. 203
11.1 HTTP 协议的弊端....... 204
11.2 WebSocket 入门..... 204
11.2.1 WebSocket 背景...............
205
11.2.2 WebSocket 连接建立....... 206
11.2.3 WebSocket 生命周期....... 207
11.2.4 WebSocket 连接关闭....... 208
11.3 Netty WebSocket 协议开发..... 209
11.3.1 WebSocket 服务端功能介绍.....................
209
11.3.2 WebSocket 服务端开发.... 210
11.3.3 运行WebSocket 服务端... 218
11.4 总结........................
219
第12 章私有协议栈开发.... 221
12.1 私有协议介绍........ 221
12.2 Netty 协议栈功能设计............
223
12.2.1 网络拓扑图.. 223
12.2.2 协议栈功能描述..............
224
12.2.3 通信模型...... 224
12.2.4 消息定义...... 225
12.2.5 Netty 协议支持的字段类型......................
226
12.2.6 Netty 协议的编解码规范. 227
12.2.7 链路的建立.. 229
12.2.8 链路的关闭.. 230
12.2.9 可靠性设计.. 230
12.2.10 安全性设计 232
12.2.11 可扩展性设计................
232
12.3 Netty 协议栈开发.. 233
12.3.1 数据结构定义.................
233
12.3.2 消息编解码.. 237
12.3.3 握手和安全认证..............
241
12.3.4 心跳检测机制.................
245
12.3.5 断连重连...... 248
12.3.6 客户端代码.. 249
12.3.7 服务端代码.. 251
12.4 运行协议栈............ 252
12.4.1 正常场景...... 252
12.4.2 异常场景：服务端宕机重启....................
253
12.4.3 异常场景：客户端宕机重启....................
256
12.5 总结........................
256
第13 章服务端创建............ 258
13.1 原生NIO 类库的复杂性......... 259
13.2 Netty 服务端创建源码分析....
259
13.2.1 Netty 服务端创建时序图. 260
13.2.2 Netty 服务端创建源码分析......................
263
13.3 客户端接入源码分析..............
272
13.4 总结........................
275
第14 章客户端创建............ 276
14.1 Netty 客户端创建流程分析....
276
14.2.1 Netty 客户端创建时序图. 276
14.2.2 Netty 客户端创建流程分析......................
277
14.2 Netty 客户端创建源码分析....
278
14.2.1 客户端连接辅助类Bootstrap....................
278
14.2.2 客户端连接操作..............
281
14.2.3 异步连接结果通知..........
283
14.2.4 客户端连接超时机制......
284
14.3 总结........................
286
源码分析篇 Netty 功能介绍和源码分析
第15 章ByteBuf 和相关辅助类........... 288
15.1 ByteBuf 功能说明. 288
15.1.1 ByteBuf 的工作原理........
289
15.1.2 ByteBuf 的功能介绍........
294
15.2 ByteBuf 源码分析. 308
15.2.1 ByteBuf 的主要类继承关系.....................
309
15.2.2 AbstractByteBuf 源码分析........................ 310
15.2.3 AbstractReferenceCountedByteBuf 源码分析.................. 319
15.2.4 UnpooledHeapByteBuf 源码分析.............. 321
15.2.5 PooledByteBuf 内存池原理分析...............
326
15.2.6 PooledDirectByteBuf 源码分析................. 329
15.3 ByteBuf 相关的辅助类功能介绍....................
332
15.3.1 ByteBufHolder................. 332
15.3.2 ByteBufAllocator ............. 333
15.3.3 CompositeByteBuf ........... 334
15.3.4 ByteBufUtil .. 336
15.4 总结........................
337
第16 章Channel 和Unsafe ................. 338
16.1 Channel 功能说明. 338
16.1.1 Channel 的工作原理........
339
16.1.2 Channel 的功能介绍........
340
16.2 Channel 源码分析. 343
16.2.1 Channel 的主要继承关系类图..................
343
16.2.2 AbstractChannel 源码分析........................ 344
16.2.3 AbstractNioChannel 源码分析.................. 347
16.2.4 AbstractNioByteChannel 源码分析........... 350
16.2.5 AbstractNioMessageChannel 源码分析..... 353
16.2.6 AbstractNioMessageServerChannel 源码分析.............. 354
16.2.7 NioServerSocketChannel 源码分析........... 355
16.2.8 NioSocketChannel 源码分析..................... 358
16.3 Unsafe 功能说明... 364
16.4 Unsafe 源码分析... 365
16.4.1 Unsafe 继承关系类图...... 365
16.4.2 AbstractUnsafe 源码分析. 366
16.4.3 AbstractNioUnsafe 源码分析.................... 375
16.4.4 NioByteUnsafe 源码分析. 379
16.5 总结........................
387
第17 章ChannelPipeline 和ChannelHandler........... 388
17.1 ChannelPipeline 功能说明....... 389
17.1.1 ChannelPipeline 的事件处理.................... 389
17.1.2 自定义拦截器.................
391
17.1.3 构建pipeline 392
17.1.4 ChannelPipeline 的主要特性.................... 393
17.2 ChannelPipeline 源码分析....... 393
17.2.1 ChannelPipeline 的类继承关系图............. 393
17.2.2 ChannelPipeline 对ChannelHandler 的管理...........
393
17.2.3 ChannelPipeline 的inbound 事件..............
396
17.2.4 ChannelPipeline 的outbound 事件............
397
17.3 ChannelHandler 功能说明....... 398
17.3.1 ChannelHandlerAdapter 功能说明............ 399
17.3.2 ByteToMessageDecoder 功能说明............ 399
17.3.3 MessageToMessageDecoder 功能说明...... 400
17.3.4 LengthFieldBasedFrameDecoder 功能说明............... 400
17.3.5 MessageToByteEncoder 功能说明............. 404
17.3.6 MessageToMessageEncoder 功能说明....... 404
17.3.7 LengthFieldPrepender 功能说明............... 405
17.4 ChannelHandler 源码分析....... 406
17.4.1 ChannelHandler 的类继承关系图.............
406
17.4.2 ByteToMessageDecoder 源码分析............ 407
17.4.3 MessageToMessageDecoder 源码分析...... 410
17.4.4 LengthFieldBasedFrameDecoder 源码分析............ 411
17.4.5 MessageToByteEncoder 源码分析............. 415
17.4.6 MessageToMessageEncoder 源码分析....... 416
17.4.7 LengthFieldPrepender 源码分析............... 417
17.5 总结........................
418
第18 章EventLoop 和EventLoopGroup.................... 419
18.1 Netty 的线程模型.. 419
18.1.1 Reactor 单线程模型.........
420
18.1.2 Reactor 多线程模型.........
421
18.1.3 主从Reactor 多线程模型 422
18.1.4 Netty 的线程模型............
423
18.1.5 最佳实践...... 424
18.2 NioEventLoop 源码分析.........
425
18.2.1 NioEventLoop 设计原理.. 425
18.2.2 NioEventLoop 继承关系类图...................
426
18.2.3 NioEventLoop.................. 427
18.3 总结........................
436
第19 章Future 和Promise .................. 438
19.1 Future 功能............
438
19.2 ChannelFuture 源码分析.........
443
19.3 Promise 功能介绍. 445
19.4 Promise 源码分析. 447
19.4.1 Promise 继承关系图........
447
19.4.2 DefaultPromise ................ 447
19.5 总结........................
449
架构和行业应用篇 Netty 高级特性
第20 章Netty 架构剖析..... 452
20.1 Netty 逻辑架构...... 452
20.1.1 Reactor 通信调度层.........
453
20.1.2 职责链ChannelPipeline
... 453
20.1.3 业务逻辑编排层（Service
ChannelHandler）........... 454
20.2 关键架构质量属性..................
454
20.2.1 高性能..........
454
20.2.2 可靠性..........
457
20.2.3 可定制性...... 460
20.2.4 可扩展性...... 460
20.3 总结........................
460
第21 章Java 多线程编程在Netty 中的应用............. 461
21.1 Java 内存模型与多线程编程.. 461
21.1.1 硬件的发展和多任务处理........................
461
21.1.2 Java 内存模型.................
462
21.2 Netty 的并发编程实践............
464
21.2.1 对共享的可变数据进行正确的同步.........
464
21.2.2 正确使用锁.. 465
21.2.3 volatile 的正确使用.........
467
21.2.4 CAS 指令和原子类.........
470
21.2.5 线程安全类的应用..........
472
21.2.6 读写锁的应用.................
476
21.2.7 线程安全性文档说明......
477
21.2.8 不要依赖线程优先级......
478
21.3 总结........................
479
第22 章高性能之道............ 480
22.1 RPC 调用性能模型分析..........
480
22.1.1 传统RPC 调用性能差的三宗罪............... 480
22.1.2 IO 通信性能三原则........
481
22.2 Netty 高性能之道.. 482
22.2.1 异步非阻塞通信..............
482
22.2.2 高效的Reactor 线程模型 482
22.2.3 无锁化的串行设计..........
485
22.2.4 高效的并发编程..............
486
22.2.5 高性能的序列化框架......
486
22.2.6 零拷贝..........
487
22.2.7 内存池..........
491
22.2.8 灵活的TCP 参数配置能力....................... 494
22.3 主流NIO 框架性能对比......... 495
22.4 总结........................
497
第23 章可靠性....................
498
23.1 可靠性需求............ 498
23.1.1 宕机的代价.. 498
23.1.2 Netty 可靠性需求............
499
23.2 Netty 高可靠性设计................
500
23.2.1 网络通信类故障..............
500
23.2.2 链路的有效性检测..........
507
23.2.3 Reactor 线程的保护.........
510
23.2.4 内存保护...... 513
23.2.5 流量整形...... 516
23.2.6 优雅停机接口.................
519
23.3 优化建议................ 520
23.3.1 发送队列容量上限控制...
520
23.3.2 回推发送失败的消息......
521
23.4 总结........................
521
第24 章安全性....................
522
24.1 严峻的安全形势.... 522
24.1.1 OpenSSL Heart bleed 漏洞.......... 522
24.1.2 安全漏洞的代价..............
523
24.1.3 Netty 面临的安全风险..... 523
24.2 Netty SSL 安全特性.................
525
24.2.1 SSL 单向认证..................
525
24.2.2 SSL 双向认证..................
532
24.2.3 第三方CA 认证.............. 536
24.3 Netty SSL 源码分析.................
538
24.3.1 客户端..........
538
24.3.2 服务端..........
541
24.3.3 消息读取...... 544
24.3.4 消息发送...... 545
24.4 Netty 扩展的安全特性............
546
24.4.1 IP 地址黑名单机制..........
547
24.4.2 接入认证...... 548
24.4 总结........................
550
第25 章Netty 未来展望..... 551
25.1 应用范围................ 551
25.2 技术演进................ 552
25.3 社区活跃度............ 552
25.4 Road Map ............... 552
25.5 总结........................
553
附录A Netty 参数配置表.... 554
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| 內容試閱：
|
13.2.1Netty服务端创建时序图
下面我们对Netty服务端创建的关键步骤和原理进行讲解。
步骤1：创建ServerBootstrap实例。ServerBootstrap是Netty服务端的启动辅助类，它提供了一系列的方法用于设置服务端启动相关的参数。底层通过门面模式对各种能力进行抽象和封装，尽量不需要用户跟过多的底层API打交道，降低用户的开发难度。
我们在创建ServerBootstrap实例时，会惊讶地发现ServerBootstrap只有一个无参的构造函数，作为启动辅助类这让人不可思议，因为它需要与多个其他组件或者类交互。ServerBootstrap构造函数没有参数的根本原因是因为它的参数太多了，而且未来也可能会发生变化，为了解决这个问题，就需要引入Builder模式。《Effective Java》第二版第2条建议遇到多个构造器参数时要考虑用构建器，关于多个参数构造函数的缺点和使用构建器的优点大家可以查阅《Effective Java》,在此不再详述。
步骤2：设置并绑定Reactor线程池。Netty的Reactor线程池是EventLoopGroup，它实际就是EventLoop的数组。EventLoop的职责是处理所有注册到本线程多路复用器Selector上的Channel，Selector的轮询操作由绑定的EventLoop线程run方法驱动，在一个循环体内循环执行。值得说明的是，EventLoop的职责不仅仅是处理网络IO事件，用户自定义的Task和定时任务Task也统一由EventLoop负责处理，这样线程模型就实现了统一。从调度层面看，也不存在在EventLoop线程中再启动其他类型的线程用于异步执行另外的任务，这样就避免了多线程并发操作和锁竞争，提升了IO线程的处理和调度性能。
步骤3：设置并绑定服务端Channel。作为NIO服务端，需要创建ServerSocketChannel，Netty对原生的NIO类库进行了封装，对应实现是NioServerSocketChannel。对于用户而言，不需要关心服务端Channel的底层实现细节和工作原理，只需要指定具体使用哪种服务端Channel即可。因此，Netty的ServerBootstrap方法提供了channel方法用于指定服务端Channel的类型。Netty通过工厂类，利用反射创建NioServerSocketChannel对象。由于服务端监听端口往往只需要在系统启动时才会调用，因此反射对性能的影响并不大。相关代码如下。
public
ServerBootstrap channelClass? extends ServerChannel channelClass {
if
channelClass == null {
throw new
NullPointerException"channelClass";
}
return
channelFactorynew
ServerBootstrapChannelFactoryServerChannelchannelClass;
}
步骤4：链路建立的时候创建并初始化ChannelPipeline。ChannelPipeline并不是NIO服务端必需的，它本质就是一个负责处理网络事件的职责链，负责管理和执行ChannelHandler。网络事件以事件流的形式在ChannelPipeline中流转，由ChannelPipeline根据ChannelHandler的执行策略调度ChannelHandler的执行。典型的网络事件如下。
（1）链路注册；
（2）链路激活；
（3）链路断开；
（4）接收到请求消息；
（5）请求消息接收并处理完毕；
（6）发送应答消息；
（7）链路发生异常；
（8）发生用户自定义事件。
步骤5：初始化ChannelPipeline完成之后，添加并设置ChannelHandler。ChannelHandler是Netty提供给用户定制和扩展的关键接口。利用ChannelHandler用户可以完成大多数的功能定制，例如消息编解码、心跳、安全认证、TSLSSL认证、流量控制和流量整形等。Netty同时也提供了大量的系统ChannelHandler供用户使用，比较实用的系统ChannelHandler总结如下。
（1）系统编解码框架——ByteToMessageCodec；
（2）通用基于长度的半包解码器——LengthFieldBasedFrameDecoder;
（3）码流日志打印Handler——LoggingHandler；
（4）SSL安全认证Handler——SslHandler；
（5）链路空闲检测Handler——IdleStateHandler；
（6）流量整形Handler——ChannelTrafficShapingHandler;
（7）Base64编解码——Base64Decoder和Base64Encoder。
创建和添加ChannelHandler的代码示例如下。
.childHandlernew
ChannelInitializerSocketChannel {
@Override
public void
initChannelSocketChannel ch
throws Exception {
ch.pipeline.addLast
new EchoServerHandler;
}
};
步骤6：绑定并启动监听端口。在绑定监听端口之前系统会做一系列的初始化和检测工作，完成之后，会启动监听端口，并将ServerSocketChannel注册到Selector上监听客户端连接，相关代码如下。
protected void
doBindSocketAddress localAddress throws Exception {
javaChannel.socket.bindlocalAddress,
config.getBacklog;
}
步骤7：Selector轮询。由Reactor线程NioEventLoop负责调度和执行Selector轮询操作，选择准备就绪的Channel集合，相关代码如下。
private void
select throws IOException {
Selector selector = this.selector;
try {
此处代码省略......
int selectedKeys
= selector.selecttimeoutMillis;
selectCnt ++;
此处代码省略......
}
步骤8：当轮询到准备就绪的Channel之后，就由Reactor线程NioEventLoop执行ChannelPipeline的相应方法，最终调度并执行ChannelHandler，接口如图13-2所示。
步骤9：执行Netty系统ChannelHandler和用户添加定制的ChannelHandler。ChannelPipeline根据网络事件的类型，调度并执行ChannelHandler，相关代码如下。
public ChannelHandlerContext fireChannelReadObject msg {
DefaultChannelHandlerContext next =
findContextInboundMASK_CHANNEL_READ;
next.invoker.invokeChannelReadnext, msg;
return this;
}
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