netty源码解析(4.0)-19 ChannelHandler: codec--常用编解码实现

　　数据包编解码过程中主要的工作就是：在编码过程中进行序列化，在解码过程中从Byte流中分离出数据包然后反序列化。在MessageToByteEncoder中，已经解决了序列化之后的问题，ByteToMessageDecoder中已经部分第解决了从Byte流中分离出数据包的问题。实现具体的数据包编解码，只需要实现MessageToByteEncoder的encode和ByteToMessageDecoder的decode方法即可。

　　为了方便开发者使用Netty，在io.netty.handler.codec包中已经实现了一些开箱即用的编解码ChannelHandler，这些Handler包括:

  1. FixedLengthFrameDecoder : 固定长度的数据包解码。
  2. LengthFieldPrepender, LengthFieldBasedFrameDecoder: 带有长度字段的数据包编解码。
  3. LineBasedFrameDecoder: 以行字符串为一个数据包解码。
  4. StringEncoder, StringDecoder: 字符集转换器。
  5. Base64Encoder, Base64Decoder: Base64编码转换器。
  6. ProtobufEncoder, ProtobufDecoder: protoBuf序列化格式数据包的编解码。
  7. ZlibEncoder,ZlibDecoder: zlib压缩格式数据包的编解码。
  8. SnappyFramedEncoder,SnappyFramedDecoder: Snappy压缩格式数据包的编解码。

　　接下来让我们来分析几个关键ChannelHandler的实现代码。

带有长度字段的数据解码: LengthFieldBasedFrameDecoder

　　之所以先从LengthFieldBasedFrameDecoder开始，是因为这个类的实现非常典型，它向我们展示了解码二进制数据包的一些常用方法:

  • 从Byte流中反序列化出一个整数。
  • 利用整数表示一个数据包的长度。
  • 使用偏移量得到数据包的开始位置。
  • 使用数据包的开始位置和长度从Byte流中提取数据包。

　　这个类解码的数据包可能有三中格式:

　　 | length | content | : 其中length是长度字段，它表示content的长度。但是这样格式无法明确地找到数据包的开始位置，需要一个表示开始位置的字段。

　　 | header | length | conent | : 通过header字段确定数据包的开始位置。

　　 | header | length | header1 | content |: header2是一个固定长度的字段，它可能包含一些子字段。

　　有一些必要的属性用来辅助解码数据包:

　　byteOrder: 反序列化整数使用的字节序。

　　lengthFieldOffset:  长度字段的偏移量，也是header的长度。

　　lengthFieldLength: 长度字段的长度。长度字段是一个整数，它的长度可能是: 1, 2, 3, 4, 8。

　　lengthAdjustment:  header1的长度。

　　initialBytesToStrip: 从Byte流中提取数据包时去掉的数据长度。

　　通过覆盖decode方法从Byte流中提取数据包:

1     @Override
2     protected final void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {
3         Object decoded = decode(ctx, in);
4         if (decoded != null) {
5             out.add(decoded);
6         }
7     }

　　代码比较简单，调用内部的decode方法完成数据包的提取，干货都在这个内部方法中。

 1     protected Object decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in) throws Exception {
 2         if (discardingTooLongFrame) {
 3             discardingTooLongFrame(in);
 4         }
 5 
 6         if (in.readableBytes() < lengthFieldEndOffset) {
 7             return null;
 8         }
 9 
10         int actualLengthFieldOffset = in.readerIndex() + lengthFieldOffset;
11         long frameLength = getUnadjustedFrameLength(in, actualLengthFieldOffset, lengthFieldLength, byteOrder);
12 
13         if (frameLength < 0) {
14             failOnNegativeLengthField(in, frameLength, lengthFieldEndOffset);
15         }
16 
17         frameLength += lengthAdjustment + lengthFieldEndOffset;
18 
19         if (frameLength < lengthFieldEndOffset) {
20             failOnFrameLengthLessThanLengthFieldEndOffset(in, frameLength, lengthFieldEndOffset);
21         }
22 
23         if (frameLength > maxFrameLength) {
24             exceededFrameLength(in, frameLength);
25             return null;
26         }
27 
28         // never overflows because it's less than maxFrameLength
29         int frameLengthInt = (int) frameLength;
30         if (in.readableBytes() < frameLengthInt) {
31             return null;
32         }
33 
34         if (initialBytesToStrip > frameLengthInt) {
35             failOnFrameLengthLessThanInitialBytesToStrip(in, frameLength, initialBytesToStrip);
36         }
37         in.skipBytes(initialBytesToStrip);
38 
39         // extract frame
40         int readerIndex = in.readerIndex();
41         int actualFrameLength = frameLengthInt - initialBytesToStrip;
42         ByteBuf frame = extractFrame(ctx, in, readerIndex, actualFrameLength);
43         in.readerIndex(readerIndex + actualFrameLength);
44         return frame;
45     }

　　调用extractFrame(42行)从Byte流中提取数据包之前的关键环节有:

  • 找到数据包的开始位置:  10行。　　
  • 确定数据包的长度： 11行，调用getUnadjustedFrameLength方法反序列化到的length字段值。此时frameLength值是content的长度，还不是真正的包长度。17行，content长度加上header1的长度(lengthAjustment)再加上header和length的长度(lengthFieldEndOffset)，得到的结果才是真正的包长度。 41行，最后减去需要丢掉的那部分数据的长度(initialBytesStrip)，得到期望的数据包长度。
  • 处理in中数据不足一个数据包的情况: 6-7行，30-31行，返回null。
  • 清理掉in中超过最大数据包长度限制的数据: 23-24行如果in中的数据大于frameLength丢掉这个数据包，否则丢掉in中现有的所有数据，记录下还需要丢弃的数据长度，下次在 2-3行丢掉剩下长度的数据。 
  • 处理包长度错误的情况: 13-14行，19-20行丢掉header和length。34-35行丢掉frameLength长度的数据。 

　　最后得到得到数据包的开始位置和长度之和从in缓冲区中提取出一个完整数据包，并修改in的读位置, 43-44行。　　

　　getUnadjustedFrameLength中反序列环length的值是计算数据包长度的关键，这个方法的实现如下:

 1     protected long getUnadjustedFrameLength(ByteBuf buf, int offset, int length, ByteOrder order) {
 2         buf = buf.order(order);
 3         long frameLength;
 4         switch (length) {
 5         case 1:
 6             frameLength = buf.getUnsignedByte(offset);
 7             break;
 8         case 2:
 9             frameLength = buf.getUnsignedShort(offset);
10             break;
11         case 3:
12             frameLength = buf.getUnsignedMedium(offset);
13             break;
14         case 4:
15             frameLength = buf.getUnsignedInt(offset);
16             break;
17         case 8:
18             frameLength = buf.getLong(offset);
19             break;
20         default:
21             throw new DecoderException(
22                     "unsupported lengthFieldLength: " + lengthFieldLength + " (expected: 1, 2, 3, 4, or 8)");
23         }
24         return frameLength;
25     }

　　2行设置ByteBuf反序列化整数时使用的字节序，默认BIG_ENDIAN。这个值可以在调用构造方法时设置。

　　4-24行，根据length字段的不同长度，使用ByteBuf的不同方法反序列化length的值。length字段的长度只能是: 1,2,3,4,8之一。

　　

　　以上是LengthFieldBasedFrameDecoder实现的核心代码的分析。这个类把一个比较关键的问题留给子类实现，就是如何处理header或header1字段的处理，　header1可以没有，但一定要有header。他们内部可以有比较复杂的结构，而且长度是约定好的，不会变。这个就给子类留下了比较大的扩展空间。通过扩展这个类，我们可以实现任意格式数据包的提取功能。

带有长度字段的数据包编码: LengthFieldPrepender

　　这个类实现的功能和LengthFieldBasedFrameDecoder相反，也比它要简单很多，只是简单地在已经序列化好的数据前面加上长度字段。

 1     @Override
 2     protected void encode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf msg, ByteBuf out) throws Exception {
 3         int length = msg.readableBytes() + lengthAdjustment;
 4         if (lengthIncludesLengthFieldLength) {
 5             length += lengthFieldLength;
 6         }
 7 
 8         if (length < 0) {
 9             throw new IllegalArgumentException(
10                     "Adjusted frame length (" + length + ") is less than zero");
11         }
12 
13         switch (lengthFieldLength) {
14         case 1:
15             if (length >= 256) {
16                 throw new IllegalArgumentException(
17                         "length does not fit into a byte: " + length);
18             }
19             out.writeByte((byte) length);
20             break;
21         case 2:
22             if (length >= 65536) {
23                 throw new IllegalArgumentException(
24                         "length does not fit into a short integer: " + length);
25             }
26             out.writeShort((short) length);
27             break;
28         case 3:
29             if (length >= 16777216) {
30                 throw new IllegalArgumentException(
31                         "length does not fit into a medium integer: " + length);
32             }
33             out.writeMedium(length);
34             break;
35         case 4:
36             out.writeInt(length);
37             break;
38         case 8:
39             out.writeLong(length);
40             break;
41         default:
42             throw new Error("should not reach here");
43         }
44 
45         out.writeBytes(msg, msg.readerIndex(), msg.readableBytes());
46     }

　　3-11行，计算并检查长度字段的值。

　   13-43行，在数据前面加上长度字段。

　　45行，把数据追加到长度长度字段之后。

行数据包和固定长度数据包的提取

　　LineBasedFrameDecoder: 用于从字符串流中按行提取数据包。用" "或" "作为前一个数据包的结束标志和下一个数据包的开始标志，也是根据这个标志算出数据包的长度。

　　FixedLengthFrameDecoder: 用于从Byte流中安固定长度提取数据包。数据包没有明确的开始标志或结束标志，只是简单地根据约定的长度提取数据包。

　　这个中数据包提取方式对数据源可靠性要求较高，实际应用中要多加小心。

　　

字符集转换

　　StringEncoder, StringDecoder这两个类用于把字符串从一种字符集转换成另外一种字符集，不涉及数据包的提取。如:GBK和UTF-8之间的转换。

Base64编解码

　　Base64Encoder, Base64Decoder这个两个类用于base64的编解码，不涉及数据包的提取。

　　

ProtoBuf编解码

　　ProtobufEncoder, ProtobufDecoder用ProtoBuf格式数据包的编解码，不涉及数据包的的提取。

压缩和解压缩

　　ZlibEncoder,ZlibDecoder: 对zlib和gzip压缩和解压缩算法的支持，不涉及数据包的提取。

　　SnappyFramedEncoder,SnappyFramedDecoder: 最Snappy压缩和解压算法的支持，不涉及数据包的提取。

 本章小结

　　本章分析了分析了Netty使用编解码框架实现特定用途的编解码工具，其中最重要的是LengthFieldPrepender, LengthFieldBasedFrameDecoder类，这两个类展示了对任意二进制数据包打包，和从Byte流中提取二进制数据包的常用方法，理解了这两个类的实现，就能针对任意类型数据包实现自己的编解码Handler。其他的类比较简单，大部分不涉及数据包的提取，只涉及到一些常用的算法和编码格式，Netty在这里只是提供了一些开箱即用的工具。

　　前讲过LengthFieldBasedFrameDecoder把对header字段的处理留给子类，这意味着子类可以通过设计自己的header实现更加健壮的，安全的同时兼顾性能的数据包，关于这个话题将在下一章详细讲解。

　　

　　

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