Netty之WebSocket应用

1. 什么是Netty?

　　Netty是一个高性能事件驱动，异步非阻塞的IO Java开源框架，由Jboss提供，用于建立Tcp等底层的链接，基于Netty可以建立高性能的Http服务器，快速开发高性能、高可靠的网络服务器和客户端程序。它支持Http，websocket，tcp，udp等协议。同时Netty又是基于NIO的客户端，服务器端编程框架，使用Netty可以确保快速和简单的开发出一个网络应用。例如实现了某种协议的客户端服务端应用。Netty简化了网络应用的开发过程，比如tcp，udp的socket服务开发。同时Netty提供了非常可靠的稳定性和良好的伸缩性。

　　2. Netty使用场景

　　高性能领域：比如游戏，大数据分布式计算得以广泛应用

　　多线程并发领域：多路复用模型，多线程模型，主从多线程模型

　　异步通信领域等。

　　3. Java IO通信

　　在介绍WebSocket之前，我们先简单说一下Java IO通信中的BIO，伪异步IO，NIO以及AIO等。

　　(1)BIO通信

　　BIO通信：采用BIO模型通信的服务端，通常由一个独立的线程负责监听客户端的连接，它接收到客户端连接请求之后，会对每个客户端创建一个新的线程，进行链路处理，处理完成之后通过输出流返回应答给客户端，此时线程销毁，这就是典型的”一请求一应答“的通信模型。

　　该模型的最大缺点就是：缺乏弹性伸缩能力，当客户端并发访问量增加以后，服务端的线程个数和客户端的并发访问数会成1比1的正比关系，由于线程是Java虚拟机的宝贵系统资源，当线程数膨胀之后，系统的性能就会快速下降。随着并发访问量的继续增大，系统将会发生线程堆栈异常或创建线程失败等问题。最终导致进程宕机或将死，不能对外提供服务。

　　BIO通信模型如下图：

　　

 

　　客户端的个数与服务端的线程呈1比1的正比关系

　　(2)伪异步IO通信

　　伪异步IO通信：当有新的客户端接入的时候，将客户端的socket封装成一个task投递到后端的线程池进行处理，线程池维护一个消息队列和N个活跃的线程，对消息队列中的任务进行相关的处理。也就是说当有M个客户端接入的时候，服务端将会创建一个具有N个线程的线程池来对客户端的请求进行处理。由于线程池可以设置消息队列的大小和最大线程数，因此它的资源占用是可控的，无论多少个客户端对它访问，都不会导致资源的耗尽和宕机。

　　缺点：当有大量的客户端进入的时候，随着并发访问量的不断增加，伪异步IO通信可能会出现线程池阻塞问题。

　　伪异步IO的通信模型如下图：

　　

 

　　当有N个新的客户端接入的时候，伪异步IO通信将客户端的socket封装成一个Task投递到后端的线程池中进行处理，JDK的线程池负责维护一个消息队列和N个活跃的线程，它与BIO通信模型最大的不同点是：伪异步IO通信的服务端不再针对每一个客户端都创建一个独立的线程，它是由一个线程池来统一处理所有客户端的接入请求。当有大量客户端接入的时候，并发量不断上涨，将会出现线程池阻塞问题。

　　(3)NIO通信

　　缓存区Buffer: 它是一个对象，它包含一些要写入或要读出的数据，在NIO中加入Buffer对象，体现了新库与原IO的重要区别。在面向流的IO中，可以将数据直接写入或者将数据直接读到Strem对象中。在NIO中，所有数据都是用缓冲区进行处理的，在读取数据时，直接取读缓冲区中的数据，在写入数据时，直接写入缓冲区中。任何时候处理NIO中的数据时都是通过缓冲区进行操作。

　　通道Channel: 网络数据通过通道Channel读取和写入，通道与流的不同之处在于通道是双向的，而流只是在一个方向上移动，一个流必须是InputStream或OutputStream的子类，而通道可以用于读写或二者同时进行。

　　多路复用器selector: selector提供了选择已经就绪的任务的能力，会通过不断轮询在其上的Channel，在某个Channel上面发生读或者写事件，则该Channel处于就绪状态，会被Selector轮询出来，然后获取Channel的集合进行后续IO的操作。

　　NIO通信并没有最大连接数的限制，可以接入成千上万的客户端。

　　(4)AIO通信

　　AIO通信：它是连接注册读写事件和回调函数，读写方法异步，同时它是主动通知程序。AIO异步通信提供了两种方式获取操作结果：第一种方式是通过java.util.concurrent的Future类来表示异步操作的结果;第二种方式是在执行异步操作的时候传入一个java.nio.channels.CompletionHandler接口的实现类作为操作完成回调。NIO的异步套接字回调，是真正的异步非阻塞IO，对应于Unix网络编程中的事件驱动IO，不需要通过多路复用器对被注册的通道进行轮询操作即可实现异步读写，从而简化NIO的编程模型。

　　BIO，伪异步IO，NIO, AIO之间的区别如下表：

　　

 

　　注：客户端个数中的比值是客户端的个数与服务端的IO线程数的个数比

　　4. WebSocket

　　(1) 什么是WebSocket?

　　WebSocket是一种H5协议规范，通过握手机制客户端与服务器之间就能够建立一个类似Tcp的连接，从而方便客户端与服务器之间的通信。

　　它是一种解决客户端与服务端实时通信而产生的技术：WebSocket本质是一种基于TCP协议，先通过Http/Https发一个特殊的Http请求进行握手，握手后会创建一个用于交换数据的TCP链接，之后客户端和服务端使用该TCP链接进行实时通信。当WebSocket的客户端和服务端握手后 , 也就是建立通信后，就不再需要之前的http请求参与。

　　(2) WebSocket的优点：

　　a. 节省通信开销，之前WebServer实现通信，都使用轮询(每隔特定时间间隔浏览器自动发送Http请求，去获取服务端的响应)该情况下，需要不停的向服务器发送请求，而HttpRequest的handler很长，请求包含真正的数据可能很小，会占用很多额外的带宽和服务器资源。

　　b. 服务器主动传送数据给客户端，在给定时间，服务器和客户端在任意时刻相互推送信息，浏览器(客户端)和服务器只需要做一个握手的动作。建立连接后，服务器可主动传数据给客户端，客户端也可以随意向服务端传数据。交换数据时所携带的头信息很小。

　　c. 实时通信：WebSocket不仅限于Ajax方式通信。ajax方式需要浏览器发起请求。而WebSocket技术 服务端和客户端可以彼此相互推送信息，从而实现实时通信。

　　(3) WebSocket建立连接过程步骤如下：

　　a、客户端发起握手请求。

　　b、服务端响应请求。

　　c、建立连接。

　　详细流程：

　　建立一个WebSocket连接，客户端或浏览器首先向服务器发送一个特殊的Http请求(携带一些附加头信息)Upgrade:websocket，服务端解析附加头信息，产生应答消息，然后响应给客户端，之后客户端就与服务端建立响应的链接。

　　(4) WebSocket生命周期：

　　1、打开事件：端点上建立新链接时，该事件是先于其他任何事件发生之前。该事件发生会产生三部分信息。

　　1.1、创建WebSocket Session对象：用于表示已经建立好的链接 。

　　1.2、配置对象：包含配置端点的信息。

　　1.3、一组路径参数，用于打开节点握手时，WebSocket端入栈匹配的URI 。

　　2、消息事件：主要是接收WebSocket对话中，另一端发送的消息。链接上的消息将会有三种形式抵达客户端。

　　2.1、文本消息： 用String处理

　　2.2、二进制消息： 用byteBuffer或者byte[]处理

　　2.3、pong消息： 用Java WebSocket API中的pong.message接口的实例来处理

　　3、错误事件：WebSocket链接或者端点发生错误时产生。可以处理入栈消息时发生的各种异常。入栈消息可能产生的三种异常。

　　3.1、WebSocket建立链接时发生错误：SessionException类型。

　　3.2、WebSocket试图将入栈消息解码成开发人员使用的对象时 EncodeException类型。

　　3.3、WebSocket端点的其他方法运行时产生的错误，WebSocket实现将记录端点操作过程中产生的任何异常 。

　　4、关闭事件：WebSocket链接端点关闭，做一些清理工作，可以由参与连接的任意一个端点发出。

　　(5) WebSocket关闭链接：

　　1、服务器关闭底层TCP链接

　　2、客户端发起TCP Close

　　底层的TCP ，正常情况下应该首先由服务器关闭 ，在异常情况下客户端可以发起TCP Close。

　　流程：当服务器被指示关闭WebSocket链接时，服务端会发起一个TCP Close操作， 客户端应该等待服务器的TCP Close。

　　5. WebSocket使用实例demo

　　(1)创建一个SpringBoot工程，工程结构如下：

　　

 

　　(2)启动SpringBoot服务，访问：http://localhost:8080/websocket

　　(3)启动MainApp主程序，然后刷新页面，就可以进行发送数据了。

　　效果图如下：