netty实战-netty client连接池设计

作者: Sam同学 | 来源:发表于2018-02-14 13:17 被阅读0次

概述

最近有很多网友在咨询netty client中,netty的channel连接池应该如何设计。这是个稍微有些复杂的主题，牵扯到蛮多技术点，要想在网上找到相关的又相对完整的参考文章，确实不太容易。

在本篇文章中,会给出其中一种解决方案,并且附带完整的可运行的代码。如果网友有更好的方案,可以回复本文,我们一起讨论讨论,一起开阔思路和眼界。

阅读本文之前需要具备一些基础知识

1、知道netty的一些基础知识,比如ByteBuf类的相关api；
2、知道netty的执行流程；
3、必须阅读过我之前写的netty实战-自定义解码器处理半包消息,因为本文部分代码来自这篇文章。

现在微服务非常的热门,也有很多公司在用。微服务框架中,如果是使用thrift、grpc来作为数据序列化框架的话,通常都会生成一个SDK给客户端用户使用。客户端只要使用这个SDK,就可以方便的调用服务端的微服务接口。本文讨论的就是使用SDK的netty客户端,它的netty channel连接池的设计方案。至于netty http client的channel连接池设计,基于http的,是另外一个主题了,需要另外写文章来讨论的。

netty channel连接池设计

DB连接池中,当某个线程获取到一个db connection后,在读取数据或者写数据时,如果线程没有操作完,这个db connection一直被该线程独占着,直到线程执行完任务。如果netty client的channel连接池设计也是使用这种独占的方式的话,有几个问题。

1、netty中channel的writeAndFlush方法,调用完后是不用等待返回结果的,writeAndFlush一被调用,马上返回。对于这种情况,是完全没必要让线程独占一个channel的。
2、使用类似DB pool的方式,从池子里拿连接,用完后返回,这里的一进一出,需要考虑并发锁的问题。另外,如果请求量很大的时候,连接会不够用,其他线程也只能等待其他线程释放连接。

因此不太建议使用上面的方式来设计netty channel连接池,channel独占的代价太大了。可以使用Channel数组的形式, 复用netty的channel。当线程要需要Channel的时候,随机从数组选中一个Channel,如果Channel还未建立,则创建一个。如果线程选中的Channel已经建立了,则复用这个Channel。

这里写图片描述

假设channel数组的长度为4

private Channel[] channels = new Channel[4];

当外部系统请求client的时候,client从channels数组中随机挑选一个channel,如果该channel尚未建立,则触发建立channel的逻辑。无论有多少请求，都是复用这4个channel。假设有10个线程,那么部分线程可能会使用相同的channel来发送数据和接收数据。因为是随机选择一个channel的,多个线程命中同一个channel的机率还是很大的。如下图

这里写图片描述

10个线程中，可能有3个线程都是使用channel2来发送数据的。这个会引入另外一个问题。thread1通过channel2发送一条消息msg1到服务端,thread2也通过channel2发送一条消息msg2到服务端,当服务端处理完数据，通过channel2返回数据给客户端的时候，如何区分哪条消息是哪个线程的呢？如果不做区分,万一thread1拿到的结果其实是thread2要的结果,怎么办？

那么如何做到让thread1和thread2拿到它们自己想要的结果呢？

之前我在netty实战-自定义解码器处理半包消息一文中提到,自定义消息的时候，通常会在消息中加入一个序列号,用来唯一标识消息的。当thread1发送消息时，往消息中插入一个唯一的消息序列号，同时为thread1建立一个callback回调程序，当服务端返回消息的时候，根据消息中的序列号从对应的callback程序获取结果。这样就可以解决上面说到的问题。

消息格式

这里写图片描述

消息、消息seq以及callback对应关系

这里写图片描述

OK,下面就基于上面的设计来进行编码。

代码

先来实现netty客户端,设置10个线程并发获取channel,为了达到真正的并发,利用CountDownLatch来做开关,同时channel连接池设置4个channel。

package nettyinaction.nettyclient.channelpool.client;

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.UnpooledByteBufAllocator;
import io.netty.channel.Channel;
import nettyinaction.nettyclient.channelpool.ChannelUtils;
import nettyinaction.nettyclient.channelpool.IntegerFactory;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class SocketClient {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //当所有线程都准备后,开闸,让所有线程并发的去获取netty的channel
        final CountDownLatch countDownLatchBegin = new CountDownLatch(1);

        //当所有线程都执行完任务后,释放主线程,让主线程继续执行下去
        final CountDownLatch countDownLatchEnd = new CountDownLatch(10);

        //netty channel池
        final NettyChannelPool nettyChannelPool = new NettyChannelPool();

        final Map<String, String> resultsMap = new HashMap<>();
        //使用10个线程,并发的去获取netty channel
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        //先让线程block住
                        countDownLatchBegin.await();

                        Channel channel = null;
                        try {
                            channel = nettyChannelPool.syncGetChannel();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }

                        //为每个线程建立一个callback,当消息返回的时候,在callback中获取结果
                        CallbackService callbackService = new CallbackService();
                        //给消息分配一个唯一的消息序列号
                        int seq = IntegerFactory.getInstance().incrementAndGet();
                        //利用Channel的attr方法,建立消息与callback的对应关系
                        ChannelUtils.putCallback2DataMap(channel,seq,callbackService);

                        synchronized (callbackService) {
                            UnpooledByteBufAllocator allocator = new UnpooledByteBufAllocator(false);
                            ByteBuf buffer = allocator.buffer(20);
                            buffer.writeInt(ChannelUtils.MESSAGE_LENGTH);

                            buffer.writeInt(seq);
                            String threadName = Thread.currentThread().getName();
                            buffer.writeBytes(threadName.getBytes());
                            buffer.writeBytes("body".getBytes());

                            //给netty 服务端发送消息,异步的,该方法会立刻返回
                            channel.writeAndFlush(buffer);

                            //等待返回结果
                            callbackService.wait();

                            //解析结果,这个result在callback中已经解析到了。
                            ByteBuf result = callbackService.result;
                            int length = result.readInt();
                            int seqFromServer = result.readInt();

                            byte[] head = new byte[8];
                            result.readBytes(head);
                            String headString = new String(head);

                            byte[] body = new byte[4];
                            result.readBytes(body);
                            String bodyString = new String(body);
                            resultsMap.put(threadName, seqFromServer + headString + bodyString);
                        }
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    finally {
                        countDownLatchEnd.countDown();
                    }
                }
            }).start();
        }

        //开闸,让10个线程并发获取netty channel
        countDownLatchBegin.countDown();

        //等10个线程执行完后,打印最终结果
        countDownLatchEnd.await();
        System.out.println("resultMap="+resultsMap);
    }

    public static class CallbackService{
        public volatile ByteBuf result;
        public void receiveMessage(ByteBuf receiveBuf) throws Exception {
            synchronized (this) {
                result = receiveBuf;
                this.notify();
            }
        }
    }
}

其中IntegerFactory类用于生成消息的唯一序列号

package nettyinaction.nettyclient.channelpool;


import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class IntegerFactory {
    private static class SingletonHolder {
        private static final AtomicInteger INSTANCE = new AtomicInteger();
    }

    private IntegerFactory(){}

    public static final AtomicInteger getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

而ChannelUtils类则用于建立channel、消息序列号和callback程序的对应关系。

package nettyinaction.nettyclient.channelpool;

import io.netty.channel.Channel;
import io.netty.util.AttributeKey;

import java.util.Map;

public class ChannelUtils {
    public static final int MESSAGE_LENGTH = 16;
    public static final AttributeKey<Map<Integer, Object>> DATA_MAP_ATTRIBUTEKEY = AttributeKey.valueOf("dataMap");
    public static <T> void putCallback2DataMap(Channel channel, int seq, T callback) {
        channel.attr(DATA_MAP_ATTRIBUTEKEY).get().put(seq, callback);
    }

    public static <T> T removeCallback(Channel channel, int seq) {
        return (T) channel.attr(DATA_MAP_ATTRIBUTEKEY).get().remove(seq);
    }
}

NettyChannelPool则负责创建netty的channel。

package nettyinaction.nettyclient.channelpool.client;


import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
import io.netty.handler.logging.LogLevel;
import io.netty.handler.logging.LoggingHandler;
import io.netty.util.Attribute;
import nettyinaction.nettyclient.channelpool.ChannelUtils;
import nettyinaction.nettyclient.channelpool.SelfDefineEncodeHandler;

import java.util.Map;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class NettyChannelPool {
    private Channel[] channels;
    private Object [] locks;
    private static final int MAX_CHANNEL_COUNT = 4;

    public NettyChannelPool() {
        this.channels = new Channel[MAX_CHANNEL_COUNT];
        this.locks = new Object[MAX_CHANNEL_COUNT];
        for (int i = 0; i < MAX_CHANNEL_COUNT; i++) {
            this.locks[i] = new Object();
        }
    }

    /**
     * 同步获取netty channel
     */
    public Channel syncGetChannel() throws InterruptedException {
        //产生一个随机数,随机的从数组中获取channel
        int index = new Random().nextInt(MAX_CHANNEL_COUNT);
        Channel channel = channels[index];
        //如果能获取到,直接返回
        if (channel != null && channel.isActive()) {
            return channel;
        }

        synchronized (locks[index]) {
            channel = channels[index];
            //这里必须再次做判断,当锁被释放后，之前等待的线程已经可以直接拿到结果了。
            if (channel != null && channel.isActive()) {
                return channel;
            }

            //开始跟服务端交互，获取channel
            channel = connectToServer();

            channels[index] = channel;
        }

        return channel;
    }

    private Channel connectToServer() throws InterruptedException {
        EventLoopGroup eventLoopGroup = new NioEventLoopGroup();
        Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
        bootstrap.group(eventLoopGroup)
                 .channel(NioSocketChannel.class)
                 .option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, Boolean.TRUE)
                 .option(ChannelOption.TCP_NODELAY, Boolean.TRUE)
                 .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))
                 .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                     @Override
                     protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                         ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
                         pipeline.addLast(new SelfDefineEncodeHandler());
                         pipeline.addLast(new SocketClientHandler());
                     }
                 });

        ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("localhost", 8899);
        Channel channel = channelFuture.sync().channel();

        //为刚刚创建的channel，初始化channel属性
        Attribute<Map<Integer,Object>> attribute = channel.attr(ChannelUtils.DATA_MAP_ATTRIBUTEKEY);
        ConcurrentHashMap<Integer, Object> dataMap = new ConcurrentHashMap<>();
        attribute.set(dataMap);
        return channel;
    }
}

先使用构造方法,初始化channels数组,长度为4。NettyChannelPool类有两个关键的地方。
第一个是获取channel的时候必须加上锁。另外一个是当获取到channel后，利用channel的属性，创建一个Map，后面需要利用这个Map建立消息序列号和callback程序的对应关系。

//初始化channel属性
        Attribute<Map<Integer,Object>> attribute = channel.attr(ChannelUtils.DATA_MAP_ATTRIBUTEKEY);
        ConcurrentHashMap<Integer, Object> dataMap = new ConcurrentHashMap<>();
        attribute.set(dataMap);

这个map就是我们上面看到的

这里写图片描述

Map的put的动作,就是在SocketClient类中的

ChannelUtils.putCallback2DataMap(channel,seq,callbackService);

执行的。客户端处理消息还需要两个hanlder辅助,一个是处理半包问题，一个是接收服务端的返回的消息。

SelfDefineEncodeHandler类用于处理半包消息

package nettyinaction.nettyclient.channelpool;

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.handler.codec.ByteToMessageDecoder;

import java.util.List;

public class SelfDefineEncodeHandler extends ByteToMessageDecoder {
    @Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf bufferIn, List<Object> out) throws Exception {
        if (bufferIn.readableBytes() < 4) {
            return;
        }

        int beginIndex = bufferIn.readerIndex();
        int length = bufferIn.readInt();

        if (bufferIn.readableBytes() < length) {
            bufferIn.readerIndex(beginIndex);
            return;
        }

        bufferIn.readerIndex(beginIndex + 4 + length);

        ByteBuf otherByteBufRef = bufferIn.slice(beginIndex, 4 + length);

        otherByteBufRef.retain();

        out.add(otherByteBufRef);
    }
}

SocketClientHandler类用于接收服务端返回的消息，并且根据消息序列号获取对应的callback程序。

package nettyinaction.nettyclient.channelpool.client;

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.channel.Channel;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
import nettyinaction.nettyclient.channelpool.ChannelUtils;

public class SocketClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        Channel channel = ctx.channel();

        ByteBuf responseBuf = (ByteBuf)msg;
        responseBuf.markReaderIndex();

        int length = responseBuf.readInt();
        int seq = responseBuf.readInt();

        responseBuf.resetReaderIndex();

        //获取消息对应的callback
        SocketClient.CallbackService callbackService = ChannelUtils.<SocketClient.CallbackService>removeCallback(channel, seq);
        callbackService.receiveMessage(responseBuf);
    }
}

到此客户端程序编写完毕。至于服务端的代码，则比较简单，这里直接贴上代码。

package nettyinaction.nettyclient.channelpool.server;

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelPipeline;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.handler.logging.LogLevel;
import io.netty.handler.logging.LoggingHandler;
import nettyinaction.nettyclient.channelpool.SelfDefineEncodeHandler;

public class SocketServer {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        EventLoopGroup parentGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup childGroup = new NioEventLoopGroup();

        try {
            ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
            serverBootstrap.group(parentGroup, childGroup)
                           .channel(NioServerSocketChannel.class)
                           .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))
                           .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                                @Override
                                protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                                    ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
                                    pipeline.addLast(new SelfDefineEncodeHandler());
                                    pipeline.addLast(new BusinessServerHandler());
                                }
                           });

            ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind(8899).sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();
        }
        finally {
            parentGroup.shutdownGracefully();
            childGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

package nettyinaction.nettyclient.channelpool.server;

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.UnpooledByteBufAllocator;
import io.netty.channel.Channel;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
import nettyinaction.nettyclient.channelpool.ChannelUtils;

public class BusinessServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        Channel channel = ctx.channel();
        ByteBuf buf = (ByteBuf)msg;
        //1、读取消息长度
        int length = buf.readInt();

        //2、读取消息序列号
        int seq = buf.readInt();

        //3、读取消息头部
        byte[] head = new byte[8];
        buf.readBytes(head);
        String headString = new String(head);

        //4、读取消息体
        byte[] body = new byte[4];
        buf.readBytes(body);
        String bodyString = new String(body);

        //5、新建立一个缓存区,写入内容,返回给客户端
        UnpooledByteBufAllocator allocator = new UnpooledByteBufAllocator(false);
        ByteBuf responseBuf = allocator.buffer(20);
        responseBuf.writeInt(ChannelUtils.MESSAGE_LENGTH);
        responseBuf.writeInt(seq);
        responseBuf.writeBytes(headString.getBytes());
        responseBuf.writeBytes(bodyString.getBytes());

        //6、将数据写回到客户端
        channel.writeAndFlush(responseBuf);
    }
}

运行服务端代码和客户端代码，期望的结果是

10个线程发送消息后，能从服务端获取到正确的对应的返回信息，这些信息不会发生错乱，各个线程都能拿到自己想要的结果，不会发生错读的情况。

运行后的结果如下

Thread-3=9Thread-3body,
Thread-4=8Thread-4body,
Thread-5=5Thread-5body,
Thread-6=1Thread-6body,
Thread-7=3Thread-7body,
Thread-8=10Thread-8body,
Thread-9=4Thread-9body,
Thread-0=7Thread-0body,
Thread-1=6Thread-1body,
Thread-2=2Thread-2body

通过观察结果，可以知道10个线程并发获取channel后，部分线程共享一个channel，但是10个线程能仍然能正确获取到结果。

代码细节解析

1、等待服务端的返回

由于 channel.writeAndFlush是异步的，必须有一种机制来让线程等待服务端返回结果。这里采用最原始的wait和notify方法。当writeAndFlush调用后，立刻让当前线程wait住，放置在callbackservice对象的等待列表中，当服务器端返回消息时，客户端的SocketClientHandler类中的channelRead方法会被执行，解析完数据后，从channel的attr属性中获取DATA_MAP_ATTRIBUTEKEY 这个key对应的map。并根据解析出来的seq从map中获取事先放置好的callbackservice对象，执行它的receiveMessage方法。将receiveBuf这个存放结果的缓存区对象赋值到callbackservice的result属性中。并调用callbackservice对象的notify方法，唤醒wait在callbackservice对象的线程，让其继续往下执行。

2、产生消息序列号

                        int seq = IntegerFactory.getInstance().incrementAndGet();

为了演示的方便，这里是产生单服务器全局唯一的序列号。如果请求量大的话，就算是AtomicInteger是CAS操作，也会产生很多的竞争。建议产生channel级别的唯一序列号，降低竞争。只要保证在一个channel内的消息的序列号是不重复的即可。

至于其他的一些代码细节，读者可以自己再细看。

netty实战-netty client连接池设计

概述

netty channel连接池设计

代码

代码细节解析

1、等待服务端的返回

2、产生消息序列号

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