在前两节课我们介绍了 TCP 拆包/粘包的问题,以及如何使用 Netty 实现自定义协议的编解码。可以看到,网络通信的底层实现,Netty 都已经帮我们封装好了,我们只需要扩展 ChannelHandler 实现自定义的编解码逻辑即可。更加人性化的是,Netty 提供了很多开箱即用的解码器,这些解码器基本覆盖了 TCP 拆包/粘包的通用解决方案。本节课我们将对 Netty 常用的解码器进行讲解,一起探索下它们有哪些用法和技巧。
在本节课开始之前,我们首先回顾一下 TCP 拆包/粘包的主流解决方案。并梳理出 Netty 对应的编码器类。
固定长度解码器 FixedLengthFrameDecoder 非常简单,直接通过构造函数设置固定长度的大小 frameLength,无论接收方一次获取多大的数据,都会严格按照 frameLength 进行解码。如果累积读取到长度大小为 frameLength 的消息,那么解码器认为已经获取到了一个完整的消息。如果消息长度小于 frameLength,FixedLengthFrameDecoder 解码器会一直等后续数据包的到达,直至获得完整的消息。下面我们通过一个例子感受一下使用 Netty 实现固定长度解码是多么简单。
public class EchoServer {
public void startEchoServer(int port) throws Exception {
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
try {
ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.group(bossGroup, workerGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class)
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
public void initChannel(SocketChannel ch) {
ch.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(10));
ch.pipeline().addLast(new EchoServerHandler());
}
});
ChannelFuture f = b.bind(port).sync();
f.channel().closeFuture().sync();
} finally {
bossGroup.shutdownGracefully();
workerGroup.shutdownGracefully();
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
new EchoServer().startEchoServer(8088);
}
}
@Sharable
public class EchoServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
System.out.println("Receive client : [" + ((ByteBuf) msg).toString(CharsetUtil.UTF_8) + "]");
}
}
在上述服务端的代码中使用了固定 10 字节的解码器,并在解码之后通过 EchoServerHandler 打印结果。我们可以启动服务端,通过 telnet 命令像服务端发送数据,观察代码输出的结果。
客户端输入:
telnet localhost 8088
Trying ::1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
1234567890123
456789012
服务端输出:
Receive client : [1234567890]
Receive client : [123
45678]
使用特殊分隔符解码器 DelimiterBasedFrameDecoder 之前我们需要了解以下几个属性的作用。
delimiters 指定特殊分隔符,通过写入 ByteBuf 作为参数传入。delimiters 的类型是 ByteBuf 数组,所以我们可以同时指定多个分隔符,但是最终会选择长度最短的分隔符进行消息拆分。
例如接收方收到的数据为:
+--------------+
| ABC\nDEF\r\n |
+--------------+
如果指定的多个分隔符为 \n 和 \r\n,DelimiterBasedFrameDecoder 会退化成使用 LineBasedFrameDecoder 进行解析,那么会解码出两个消息。
+-----+-----+
| ABC | DEF |
+-----+-----+
如果指定的特定分隔符只有 \r\n,那么只会解码出一个消息:
+----------+
| ABC\nDEF |
+----------+
maxLength 是报文最大长度的限制。如果超过 maxLength 还没有检测到指定分隔符,将会抛出 TooLongFrameException。可以说 maxLength 是对程序在极端情况下的一种保护措施。
failFast 与 maxLength 需要搭配使用,通过设置 failFast 可以控制抛出 TooLongFrameException 的时机,可以说 Netty 在细节上考虑得面面俱到。如果 failFast=true,那么在超出 maxLength 会立即抛出 TooLongFrameException,不再继续进行解码。如果 failFast=false,那么会等到解码出一个完整的消息后才会抛出 TooLongFrameException。
stripDelimiter 的作用是判断解码后得到的消息是否去除分隔符。如果 stripDelimiter=false,特定分隔符为 \n,那么上述数据包解码出的结果为:
+-------+---------+
| ABC\n | DEF\r\n |
+-------+---------+
下面我们还是结合代码示例学习 DelimiterBasedFrameDecoder 的用法,依然以固定编码器小节中使用的代码为基础稍做改动,引入特殊分隔符解码器 DelimiterBasedFrameDecoder:
b.group(bossGroup, workerGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class)
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
public void initChannel(SocketChannel ch) {
ByteBuf delimiter = Unpooled.copiedBuffer("&".getBytes());
ch.pipeline().addLast(new DelimiterBasedFrameDecoder(10, true, true, delimiter));
ch.pipeline().addLast(new EchoServerHandler());
}
});
我们依然通过 telnet 模拟客户端发送数据,观察代码输出的结果,可以发现由于 maxLength 设置的只有 10,所以在解析到第三个消息时抛出异常。
客户端输入:
telnet localhost 8088
Trying ::1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
hello&world&1234567890ab
服务端输出:
Receive client : [hello]
Receive client : [world]
九月 25, 2020 8:46:01 下午 io.netty.channel.DefaultChannelPipeline onUnhandledInboundException
警告: An exceptionCaught() event was fired, and it reached at the tail of the pipeline. It usually means the last handler in the pipeline did not handle the exception.
io.netty.handler.codec.TooLongFrameException: frame length exceeds 10: 13 - discarded
at io.netty.handler.codec.DelimiterBasedFrameDecoder.fail(DelimiterBasedFrameDecoder.java:302)
at io.netty.handler.codec.DelimiterBasedFrameDecoder.decode(DelimiterBasedFrameDecoder.java:268)
at io.netty.handler.codec.DelimiterBasedFrameDecoder.decode(DelimiterBasedFrameDecoder.java:218)
长度域解码器 LengthFieldBasedFrameDecoder 是解决 TCP 拆包/粘包问题最常用的解码器。它基本上可以覆盖大部分基于长度拆包场景,开源消息中间件 RocketMQ 就是使用 LengthFieldBasedFrameDecoder 进行解码的。LengthFieldBasedFrameDecoder 相比 FixedLengthFrameDecoder 和 DelimiterBasedFrameDecoder 要复杂一些,接下来我们就一起学习下这个强大的解码器。
首先我们同样先了解 LengthFieldBasedFrameDecoder 中的几个重要属性,这里我主要把它们分为两个部分:长度域解码器特有属性以及与其他解码器(如特定分隔符解码器)的相似的属性。
// 长度字段的偏移量,也就是存放长度数据的起始位置
private final int lengthFieldOffset;
// 长度字段所占用的字节数
private final int lengthFieldLength;
/*
* 消息长度的修正值
*
* 在很多较为复杂一些的协议设计中,长度域不仅仅包含消息的长度,而且包含其他的数据,如版本号、数据类型、数据状态等,那么这时候我们需要使用 lengthAdjustment 进行修正
*
* lengthAdjustment = 包体的长度值 - 长度域的值
*
*/
private final int lengthAdjustment;
// 解码后需要跳过的初始字节数,也就是消息内容字段的起始位置
private final int initialBytesToStrip;
// 长度字段结束的偏移量,lengthFieldEndOffset = lengthFieldOffset + lengthFieldLength
private final int lengthFieldEndOffset;
private final int maxFrameLength; // 报文最大限制长度
private final boolean failFast; // 是否立即抛出 TooLongFrameException,与 maxFrameLength 搭配使用
private boolean discardingTooLongFrame; // 是否处于丢弃模式
private long tooLongFrameLength; // 需要丢弃的字节数
private long bytesToDiscard; // 累计丢弃的字节数
下面我们结合具体的示例来解释下每种参数的组合,其实在 Netty LengthFieldBasedFrameDecoder 源码的注释中已经描述得非常详细,一共给出了 7 个场景示例,理解了这些示例基本上可以真正掌握 LengthFieldBasedFrameDecoder 的参数用法。
示例 1:典型的基于消息长度 + 消息内容的解码。
BEFORE DECODE (14 bytes) AFTER DECODE (14 bytes)
+--------+----------------+ +--------+----------------+
| Length | Actual Content |----->| Length | Actual Content |
| 0x000C | "HELLO, WORLD" | | 0x000C | "HELLO, WORLD" |
+--------+----------------+ +--------+----------------+
上述协议是最基本的格式,报文只包含消息长度 Length 和消息内容 Content 字段,其中 Length 为 16 进制表示,共占用 2 字节,Length 的值 0x000C 代表 Content 占用 12 字节。该协议对应的解码器参数组合如下:
示例 2:解码结果需要截断。
BEFORE DECODE (14 bytes) AFTER DECODE (12 bytes)
+--------+----------------+ +----------------+
| Length | Actual Content |----->| Actual Content |
| 0x000C | "HELLO, WORLD" | | "HELLO, WORLD" |
+--------+----------------+ +----------------+
示例 2 和示例 1 的区别在于解码后的结果只包含消息内容,其他的部分是不变的。该协议对应的解码器参数组合如下:
示例 3:长度字段包含消息长度和消息内容所占的字节。
BEFORE DECODE (14 bytes) AFTER DECODE (14 bytes)
+--------+----------------+ +--------+----------------+
| Length | Actual Content |----->| Length | Actual Content |
| 0x000E | "HELLO, WORLD" | | 0x000E | "HELLO, WORLD" |
+--------+----------------+ +--------+----------------+
与前两个示例不同的是,示例 3 的 Length 字段包含 Length 字段自身的固定长度以及 Content 字段所占用的字节数,Length 的值为 0x000E(2 + 12 = 14 字节),在 Length 字段值(14 字节)的基础上做 lengthAdjustment(-2)的修正,才能得到真实的 Content 字段长度,所以对应的解码器参数组合如下:
示例 4:基于长度字段偏移的解码。
BEFORE DECODE (17 bytes) AFTER DECODE (17 bytes)
+----------+----------+----------------+ +----------+----------+----------------+
| Header 1 | Length | Actual Content |----->| Header 1 | Length | Actual Content |
| 0xCAFE | 0x00000C | "HELLO, WORLD" | | 0xCAFE | 0x00000C | "HELLO, WORLD" |
+----------+----------+----------------+ +----------+----------+----------------+
示例 4 中 Length 字段不再是报文的起始位置,Length 字段的值为 0x00000C,表示 Content 字段占用 12 字节,该协议对应的解码器参数组合如下:
示例 5:长度字段与内容字段不再相邻。
BEFORE DECODE (17 bytes) AFTER DECODE (17 bytes)
+----------+----------+----------------+ +----------+----------+----------------+
| Length | Header 1 | Actual Content |----->| Length | Header 1 | Actual Content |
| 0x00000C | 0xCAFE | "HELLO, WORLD" | | 0x00000C | 0xCAFE | "HELLO, WORLD" |
+----------+----------+----------------+ +----------+----------+----------------+
示例 5 中的 Length 字段之后是 Header 1,Length 与 Content 字段不再相邻。Length 字段所表示的内容略过了 Header 1 字段,所以也需要通过 lengthAdjustment 修正才能得到 Header + Content 的内容。示例 5 所对应的解码器参数组合如下:
示例 6:基于长度偏移和长度修正的解码。
BEFORE DECODE (16 bytes) AFTER DECODE (13 bytes)
+------+--------+------+----------------+ +------+----------------+
| HDR1 | Length | HDR2 | Actual Content |----->| HDR2 | Actual Content |
| 0xCA | 0x000C | 0xFE | "HELLO, WORLD" | | 0xFE | "HELLO, WORLD" |
+------+--------+------+----------------+ +------+----------------+
示例 6 中 Length 字段前后分为别 HDR1 和 HDR2 字段,各占用 1 字节,所以既需要做长度字段的偏移,也需要做 lengthAdjustment 修正,具体修正的过程与 示例 5 类似。对应的解码器参数组合如下:
示例 7:长度字段包含除 Content 外的多个其他字段。
BEFORE DECODE (16 bytes) AFTER DECODE (13 bytes)
+------+--------+------+----------------+ +------+----------------+
| HDR1 | Length | HDR2 | Actual Content |----->| HDR2 | Actual Content |
| 0xCA | 0x0010 | 0xFE | "HELLO, WORLD" | | 0xFE | "HELLO, WORLD" |
+------+--------+------+----------------+ +------+----------------+
示例 7 与 示例 6 的区别在于 Length 字段记录了整个报文的长度,包含 Length 自身所占字节、HDR1 、HDR2 以及 Content 字段的长度,解码器需要知道如何进行 lengthAdjustment 调整,才能得到 HDR2 和 Content 的内容。所以我们可以采用如下的解码器参数组合:
以上 7 种示例涵盖了 LengthFieldBasedFrameDecoder 大部分的使用场景,你是否学会了呢?最后留一个小任务,在上一节课程中我们设计了一个较为通用的协议,如下所示。如何使用长度域解码器 LengthFieldBasedFrameDecoder 完成该协议的解码呢?抓紧自己尝试下吧。
+---------------------------------------------------------------+
| 魔数 2byte | 协议版本号 1byte | 序列化算法 1byte | 报文类型 1byte |
+---------------------------------------------------------------+
| 状态 1byte | 保留字段 4byte | 数据长度 4byte |
+---------------------------------------------------------------+
| 数据内容 (长度不定) |
+---------------------------------------------------------------+
本节课我们介绍了三种常用的解码器,从中我们可以体会到 Netty 在设计上的优雅,只需要调整参数就可以轻松实现各种功能。在健壮性上,Netty 也考虑得非常全面,很多边界情况 Netty 都贴心地增加了保护性措施。实现一个健壮的解码器并不容易,很可能因为一次解析错误就会导致解码器一直处理错乱的状态。如果你使用了基于长度编码的二进制协议,那么推荐你使用 LengthFieldBasedFrameDecoder,它已经可以满足实际项目中的大部分场景,基本不需要再自定义实现了。希望朋友们在项目开发中能够学以致用。