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[网络协议]netty框架tcp协议粘包半包序列化解决方案

主要依赖

<dependency>
            <groupId>io.netty</groupId>
            <artifactId>netty-all</artifactId>
            <version>4.1.39.Final</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.projectlombok</groupId>
            <artifactId>lombok</artifactId>
            <version>1.16.18</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>com.alibaba</groupId>
            <artifactId>fastjson</artifactId>
            <version>1.2.76</version>
        </dependency>

粘包半包解决

粘包半包问题,这里使用LengthFieldBasedFrameDecoder来作为解决方案
在发送消息前,先约定用定长字节表示接下来数据的长度
LengthFieldBasedFrameDecoder()构造方法参数:

  1. maxFrameLength:数据帧最大长度
  2. lengthFieldoffset:长度字段偏移量
  3. lengthFieldLength:长度字段长度(字节)
  4. lengthAdjustment:长度字段后第几个字节是正文内容
  5. initialBytesToStrip:从帧首去除字节数

序列化(二进制序列化)

java序列化

注意事项:
序列化对象需要实现Serializable接口(java.io.Serializable)
代码:

public class MessageCodecJava extends MessageToMessageCodec<ByteBuf, Message> {
    @Override
    protected void encode(ChannelHandlerContext ctx, Message msg, List<Object> outList) throws Exception {
        ByteBuf out = ctx.alloc().buffer();
		//获取内容
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
        oos.writeObject(msg);
        byte[] bytes = bos.toByteArray();
        //长度,我们设定为4个字节
        out.writeInt(bytes.length);
        // 写入内容
        out.writeBytes(bytes);
        outList.add(out);
    }

    @Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {

        int length = in.readInt();
        byte[] bytes = new byte[length];
        in.readBytes(bytes, 0, length);
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bytes));
        Message message = (Message) ois.readObject();
        System.out.println(message);
        out.add(message);
    }
}

fastjson序列化

注意事项: 不需要实现Serializable接口(java.io.Serializable)
代码:

public class MessageCodecJson extends MessageToMessageCodec<ByteBuf, Message> {
    @Override
    protected void encode(ChannelHandlerContext ctx, Message msg, List<Object> list) throws Exception {
        ByteBuf out = ctx.alloc().buffer();
        //获取内容字节
        byte[] jsonBytes = JSON.toJSONString(msg, SerializerFeature.WriteClassName).getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        // 获取内容长度
        out.writeInt(jsonBytes.length);
        //  写入内容
        out.writeBytes(jsonBytes);
        list.add(out);
    }

    @Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> list) throws Exception {
        //获取内容长度
        int length = in.readInt();
        //将二进制反序列化为对象
        byte[] bytes = new byte[length];
        in.readBytes(bytes, 0, length);
        Message msg = JSON.parseObject(new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8),Message.class);
        System.out.println(msg);
        list.add(msg);
    }
}

粘包半包序列化解决举例:

客户端代码:

package com.haust.blog;

import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;


public class MyClient {
    public static void main(String[] args) {
        NioEventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap.group(group)
                    .channel(NioSocketChannel.class)
                    .handler(new MyClientInitializer());
            ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("localhost", 7000).sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();


        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
        finally {
            group.shutdownGracefully();
        }
    }
}

服务器端代码:

package com.haust.blog;

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelOption;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;

public class MyServer {
    public static void main(String[] args) {
        NioEventLoopGroup boosGroup = new NioEventLoopGroup();
        NioEventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

        try {
            ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
            serverBootstrap.group(boosGroup,workerGroup)
                    .option(ChannelOption.SO_BACKLOG,128)
                    .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE,true)
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .childHandler(new MyServerInitializer());
            ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind(7000).sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            boosGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

POJO类
为提高编解码的扩展性,我们单独定义一个父类,然后让其他POJO类集成此父类

package com.haust.blog.pojo;

import java.io.Serializable;

public class Message implements Serializable {
}

package com.haust.blog.pojo;

import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
import lombok.NoArgsConstructor;
import lombok.ToString;

@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
@ToString
public class JsonBeanMessage extends Message {
    private int id;
    private String name;
}

package com.haust.blog.pojo;

import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
import lombok.NoArgsConstructor;
import lombok.ToString;

@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
@ToString
public class BinaryBeanMessage extends Message{
    private int id;
    private String name;
    private String sex;
}

客户端初始化类

package com.haust.blog;

import com.haust.blog.handler.MyClientHandler;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelPipeline;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.handler.codec.LengthFieldBasedFrameDecoder;

public class MyClientInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
    protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
        ChannelPipeline pipeline = socketChannel.pipeline();
        pipeline.addLast(new LengthFieldBasedFrameDecoder
                (1024,0,4,0,0));
        pipeline.addLast(new MessageCodecJson());
        pipeline.addLast(new MyClientHandler());
    }
}

服务器端初始化类

package com.haust.blog;

import com.haust.blog.handler.MyServerHandler;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelPipeline;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.handler.codec.LengthFieldBasedFrameDecoder;

public class MyServerInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {

    protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
        ChannelPipeline pipeline = socketChannel.pipeline();
        pipeline.addLast(new LengthFieldBasedFrameDecoder
                (1024,0,4,0,0));
//        pipeline.addLast(new MessageCodecJava());
        pipeline.addLast(new MessageCodecJson());
        pipeline.addLast(new MyServerHandler());

    }
}

客户端处理类

package com.haust.blog.handler;

import com.haust.blog.pojo.BinaryBeanMessage;
import com.haust.blog.pojo.JsonBeanMessage;
import com.haust.blog.pojo.Message;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;

public class MyClientHandler extends SimpleChannelInboundHandler<Message> {
    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, Message message) throws Exception {
        System.out.println("客户端收到了服务器发来的数据:"+message);
    }

    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
//        BinaryBeanMessage message = new BinaryBeanMessage(1, "张三", "男");
        JsonBeanMessage message = new JsonBeanMessage(1, "李四");
        ctx.writeAndFlush(message);

    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        System.out.println(cause.getMessage());
        ctx.close();
    }
}

服务器端处理类

package com.haust.blog.handler;

import com.haust.blog.pojo.BinaryBeanMessage;
import com.haust.blog.pojo.Message;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;

public class MyServerHandler extends SimpleChannelInboundHandler<Message> {
    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, Message message) throws Exception {
        System.out.println("服务器收到了客户端发来的数据:"+message);
    }

    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        BinaryBeanMessage message = new BinaryBeanMessage(1, "张三", "男");
        ctx.writeAndFlush(message);

    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        System.out.println(cause.getMessage());
        ctx.close();
    }
}

java序列化类

package com.haust.blog;

import com.haust.blog.pojo.Message;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.channel.ChannelHandler;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.handler.codec.MessageToMessageCodec;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.util.List;

@Slf4j
@ChannelHandler.Sharable
/**
 * 必须和 LengthFieldBasedFrameDecoder 一起使用,确保接到的 ByteBuf 消息是完整的
 */
public class MessageCodecJava extends MessageToMessageCodec<ByteBuf, Message> {
    @Override
    protected void encode(ChannelHandlerContext ctx, Message msg, List<Object> outList) throws Exception {
        ByteBuf out = ctx.alloc().buffer();

        //获取内容的字节数组
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
        oos.writeObject(msg);
        byte[] bytes = bos.toByteArray();
        //长度
        out.writeInt(bytes.length);
        //写入内容
        out.writeBytes(bytes);
        outList.add(out);
    }

    @Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {

        int length = in.readInt();
        byte[] bytes = new byte[length];
        in.readBytes(bytes, 0, length);
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bytes));
        Message message = (Message) ois.readObject();
        System.out.println(message);
        out.add(message);
    }
}

fastjson序列化类

package com.haust.blog;

import com.alibaba.fastjson.JSON;
import com.alibaba.fastjson.serializer.SerializerFeature;
import com.haust.blog.pojo.Message;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.channel.ChannelHandler;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.handler.codec.MessageToMessageCodec;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.List;

@ChannelHandler.Sharable
public class MessageCodecJson extends MessageToMessageCodec<ByteBuf, Message> {
    @Override
    protected void encode(ChannelHandlerContext ctx, Message msg, List<Object> list) throws Exception {
        ByteBuf out = ctx.alloc().buffer();
        //获取内容字节
        byte[] jsonBytes = JSON.toJSONString(msg, SerializerFeature.WriteClassName).getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        // 获取内容长度
        out.writeInt(jsonBytes.length);
        //  写入内容
        out.writeBytes(jsonBytes);
        list.add(out);
    }

    @Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> list) throws Exception {
        //获取内容长度
        int length = in.readInt();
        //将二进制反序列化为对象
        byte[] bytes = new byte[length];
        in.readBytes(bytes, 0, length);
        Message msg = JSON.parseObject(new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8),Message.class);
        System.out.println(msg);
        list.add(msg);
    }
}

包结构:
在这里插入图片描述
结果:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

总结:

  1. 如何解决粘包半包?思路:自定义协议,在对内容进行编码时,将内容的长度也作为信息发送过去,使解码时可以确定信息边界正确解码,从而避免粘包半包。
  2. 在已经确定好编解码规则(自定义协议)的情况下,为何还会需要LengthFieldBasedFrameDecoder类解决粘包半包问题?当发送数据过大时,导致一组消息多次发送(一个完整的消息,经过发送多次才发送结束),若直接按照解码规则进行解码就会导致半包问题出现,若我们使用LengthFieldBasedFrameDecoder在解码前进行预处理,LengthFieldBasedFrameDecoder会等到接收到完整的消息之后才会传给自定义decoder进行解码,从而避免了半包问题等。

代码举例:

package com.haust.blog;

import com.alibaba.fastjson.JSON;
import com.alibaba.fastjson.serializer.SerializerFeature;
import com.haust.blog.pojo.JsonBeanMessage;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.ByteBufAllocator;
import io.netty.channel.embedded.EmbeddedChannel;
import io.netty.handler.codec.LengthFieldBasedFrameDecoder;
import io.netty.handler.logging.LoggingHandler;

import java.nio.charset.StandardCharsets;

public class test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        EmbeddedChannel channel = new EmbeddedChannel(
                new LoggingHandler(),
                new LengthFieldBasedFrameDecoder(
                        1024, 0, 4, 0, 0),
                new MessageCodecJson()

        );
        //encode
        JsonBeanMessage json = new JsonBeanMessage(1, "张三");
        channel.writeOutbound(json);
        //decode

        ByteBuf buf = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
        byte[] jsonBytes = JSON.toJSONString(json, SerializerFeature.WriteClassName).getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        // 获取内容长度
        buf.writeInt(jsonBytes.length);
        buf.writeBytes(jsonBytes);

        ByteBuf s1 = buf.slice(0, 50);
        ByteBuf s2 = buf.slice(50, buf.readableBytes() - 50);
        s1.retain(); // 引用计数 2
        channel.writeInbound(s1);
        channel.writeInbound(s2);





    }
}

结果:传过来74B信息,第一次只传过来50B信息,此时LengthFieldBasedFrameDecoder进行拦截(若此时直接将50B信息传给解码器就会出现半包),直到另外24B信息到来(此时信息已经完整),LengthFieldBasedFrameDecoder才将完整消息传给decoder(自定义)进行解码操作

17:34:28 [DEBUG] [main] i.n.h.l.LoggingHandler - [id: 0xembedded, L:embedded - R:embedded] REGISTERED
17:34:28 [DEBUG] [main] i.n.h.l.LoggingHandler - [id: 0xembedded, L:embedded - R:embedded] ACTIVE
17:34:28 [DEBUG] [main] i.n.h.l.LoggingHandler - [id: 0xembedded, L:embedded - R:embedded] WRITE: 74B
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 00 00 00 46 7b 22 40 74 79 70 65 22 3a 22 63 6f |...F{"@type":"co|
|00000010| 6d 2e 68 61 75 73 74 2e 62 6c 6f 67 2e 70 6f 6a |m.haust.blog.poj|
|00000020| 6f 2e 4a 73 6f 6e 42 65 61 6e 4d 65 73 73 61 67 |o.JsonBeanMessag|
|00000030| 65 22 2c 22 69 64 22 3a 31 2c 22 6e 61 6d 65 22 |e","id":1,"name"|
|00000040| 3a 22 e5 bc a0 e4 b8 89 22 7d                   |:"......"}      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
17:34:28 [DEBUG] [main] i.n.h.l.LoggingHandler - [id: 0xembedded, L:embedded - R:embedded] FLUSH
17:34:28 [DEBUG] [main] i.n.h.l.LoggingHandler - [id: 0xembedded, L:embedded - R:embedded] READ: 50B
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
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|00000000| 00 00 00 46 7b 22 40 74 79 70 65 22 3a 22 63 6f |...F{"@type":"co|
|00000010| 6d 2e 68 61 75 73 74 2e 62 6c 6f 67 2e 70 6f 6a |m.haust.blog.poj|
|00000020| 6f 2e 4a 73 6f 6e 42 65 61 6e 4d 65 73 73 61 67 |o.JsonBeanMessag|
|00000030| 65 22                                           |e"              |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
17:34:28 [DEBUG] [main] i.n.h.l.LoggingHandler - [id: 0xembedded, L:embedded - R:embedded] READ COMPLETE
17:34:28 [DEBUG] [main] i.n.h.l.LoggingHandler - [id: 0xembedded, L:embedded - R:embedded] READ: 24B
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 2c 22 69 64 22 3a 31 2c 22 6e 61 6d 65 22 3a 22 |,"id":1,"name":"|
|00000010| e5 bc a0 e4 b8 89 22 7d                         |......"}        |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
JsonBeanMessage(id=1, name=张三)
17:34:28 [DEBUG] [main] i.n.h.l.LoggingHandler - [id: 0xembedded, L:embedded - R:embedded] READ COMPLETE

Process finished with exit code 0

  1. 自定义编码器加@ChannelHandler.Sharable注解时在这里插入图片描述
    需要extends MessageToMessageCodec<ByteBuf, Message>
    Message是当接收到Message及其子类时进入此handler进行处理

  2. 为什么需要定义父类Message,然后其他POJO类继承?提高了可扩展性,如果父类message实现了序列化接口,子类就无需再显示的实现序列化接口。其次在编解码(handler)处理时指定了泛型,那么泛型类型及其子类均可以进入handler进行处理。

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