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Netty、MINA、Twisted一起學(xué)系列05:整合protobuf

發(fā)布時(shí)間:2020-08-14 18:14:56 來(lái)源:ITPUB博客 閱讀:168 作者:程序員私房菜 欄目:互聯(lián)網(wǎng)科技

文章已獲得作者授權(quán),原文地址:xxgblog.com/2014/08/27/mina-netty-twisted-5

protobuf 是谷歌的 Protocol Buffers 的簡(jiǎn)稱,用于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和字節(jié)碼之間互相轉(zhuǎn)換(序列化、反序列化),一般應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)傳輸,可支持多種編程語(yǔ)言。

protobuf 如何使用這里不再介紹,本文主要介紹在 MINA、Netty、Twisted 中如何使用 protobuf。

在前一篇文章(Netty、MINA、Twisted一起學(xué)系列04:定制自己的協(xié)議)中,有介紹到一種用一個(gè)固定為4字節(jié)的前綴Header來(lái)指定Body的字節(jié)數(shù)的一種消息分割方式,在這里同樣要使用到。只是其中 Body 的內(nèi)容不再是字符串,而是 protobuf 字節(jié)碼。

Netty、MINA、Twisted一起學(xué)系列05:整合protobuf

在處理業(yè)務(wù)邏輯時(shí),肯定不希望還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行序列化和反序列化,而是希望直接操作一個(gè)對(duì)象,那么就需要有相應(yīng)的編碼器和解碼器,將序列化和反序列化的邏輯寫在編碼器和解碼器中。有關(guān)編碼器和解碼器的實(shí)現(xiàn),上一篇文章中有介紹。

Netty 包中已經(jīng)自帶針對(duì) protobuf 的編碼器和解碼器,那么就不用再自己去實(shí)現(xiàn)了。而 MINA、Twisted 還需要自己去實(shí)現(xiàn) protobuf 的編碼器和解碼器。

這里定義一個(gè)protobuf數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),用于描述一個(gè)學(xué)生的信息,保存為StudentMsg.proto文件:

message Student {
   // ID
   required int32 id = 1;  

   // 姓名
   required string name = 2;

   // email
   optional string email = 3;

   // 朋友
   repeated string friends = 4;
}

用 StudentMsg.proto 分別生成 Java 和 Python 代碼,將代碼加入到相應(yīng)的項(xiàng)目中。生成的代碼就不再貼上來(lái)了。下面分別介紹在 Netty、MINA、Twisted 如何使用 protobuf 來(lái)傳輸 Student 信息。

1 Netty

Netty 自帶 protobuf 的編碼器和解碼器,分別是 ProtobufEncoder 和 ProtobufDecoder。需要注意的是,ProtobufEncoder 和 ProtobufDecoder 只負(fù)責(zé) protobuf 的序列化和反序列化,而處理消息 Header 前綴和消息分割的還需要 LengthFieldBasedFrameDecoder 和 LengthFieldPrepender。LengthFieldBasedFrameDecoder 即用于解析消息 Header 前綴,根據(jù) Header 中指定的 Body 字節(jié)數(shù)截取 Body,LengthFieldPrepender 用于在wirte消息時(shí)在消息前面添加一個(gè) Header 前綴來(lái)指定 Body 字節(jié)數(shù)。

public class TcpServer {

   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
       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)
                               throws Exception
{
                           ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();

             // 負(fù)責(zé)通過(guò)4字節(jié)Header指定的Body長(zhǎng)度將消息切割
             pipeline.addLast("frameDecoder",
                 new LengthFieldBasedFrameDecoder(1048576, 0, 4, 0, 4));

             // 負(fù)責(zé)將frameDecoder處理后的完整的一條消息的protobuf字節(jié)碼轉(zhuǎn)成Student對(duì)象
             pipeline.addLast("protobufDecoder",
                 new ProtobufDecoder(StudentMsg.Student.getDefaultInstance()));

             // 負(fù)責(zé)將寫入的字節(jié)碼加上4字節(jié)Header前綴來(lái)指定Body長(zhǎng)度
             pipeline.addLast("frameEncoder", new LengthFieldPrepender(4));

             // 負(fù)責(zé)將Student對(duì)象轉(zhuǎn)成protobuf字節(jié)碼
             pipeline.addLast("protobufEncoder", new ProtobufEncoder());

                           pipeline.addLast(new TcpServerHandler());
                       }
                   });
           ChannelFuture f = b.bind(8080).sync();
           f.channel().closeFuture().sync();
       } finally {
           workerGroup.shutdownGracefully();
           bossGroup.shutdownGracefully();
       }
   }
}

處理事件時(shí),接收和發(fā)送的參數(shù)直接就是Student對(duì)象。

public class TcpServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

   @Override
   public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {

       // 讀取客戶端傳過(guò)來(lái)的Student對(duì)象
     StudentMsg.Student student = (StudentMsg.Student) msg;
       System.out.println("ID:" + student.getId());
       System.out.println("Name:" + student.getName());
       System.out.println("Email:" + student.getEmail());
       System.out.println("Friends:");
       List<String> friends = student.getFriendsList();
       for(String friend : friends) {
         System.out.println(friend);
       }

       // 新建一個(gè)Student對(duì)象傳到客戶端
       StudentMsg.Student.Builder builder = StudentMsg.Student.newBuilder();
       builder.setId(9);
       builder.setName("服務(wù)器");
       builder.setEmail("123@abc.com");
       builder.addFriends("X");
       builder.addFriends("Y");
       StudentMsg.Student student2 = builder.build();
       ctx.writeAndFlush(student2);
   }

   @Override
   public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
       cause.printStackTrace();
       ctx.close();
   }
}

2. MINA

在 MINA 中沒(méi)有針對(duì) protobuf 的編碼器和解碼器,但是可以自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能和 Netty 一樣的編碼器和解碼器。

編碼器:

public class MinaProtobufEncoder extends ProtocolEncoderAdapter {

   @Override
   public void encode(IoSession session, Object message,
           ProtocolEncoderOutput out)
throws Exception
{

     StudentMsg.Student student = (StudentMsg.Student) message;
       byte[] bytes = student.toByteArray(); // Student對(duì)象轉(zhuǎn)為protobuf字節(jié)碼
       int length = bytes.length;

       IoBuffer buffer = IoBuffer.allocate(length + 4);
       buffer.putInt(length); // write header
       buffer.put(bytes); // write body
       buffer.flip();
       out.write(buffer);
   }
}

解碼器:

public class MinaProtobufDecoder extends CumulativeProtocolDecoder {

 @Override
 protected boolean doDecode(IoSession session, IoBuffer in,
     ProtocolDecoderOutput out)
throws Exception
{

   // 如果沒(méi)有接收完Header部分(4字節(jié)),直接返回false
   if (in.remaining() < 4) {
     return false;
   } else {

     // 標(biāo)記開始位置,如果一條消息沒(méi)傳輸完成則返回到這個(gè)位置
     in.mark();

     // 讀取header部分,獲取body長(zhǎng)度
     int bodyLength = in.getInt();

     // 如果body沒(méi)有接收完整,直接返回false
     if (in.remaining() < bodyLength) {
       in.reset(); // IoBuffer position回到原來(lái)標(biāo)記的地方
       return false;
     } else {
       byte[] bodyBytes = new byte[bodyLength];
       in.get(bodyBytes); // 讀取body部分
       StudentMsg.Student student = StudentMsg.Student.parseFrom(bodyBytes); // 將body中protobuf字節(jié)碼轉(zhuǎn)成Student對(duì)象
       out.write(student); // 解析出一條消息
       return true;
     }
   }
 }
}

MINA 服務(wù)器加入 protobuf 的編碼器和解碼器:

public class TcpServer {

   public static void main(String[] args) throws IOException {
       IoAcceptor acceptor = new NioSocketAcceptor();

       // 指定protobuf的編碼器和解碼器
       acceptor.getFilterChain().addLast("codec",
               new ProtocolCodecFilter(new MinaProtobufEncoder(), new MinaProtobufDecoder()));

       acceptor.setHandler(new TcpServerHandle());
       acceptor.bind(new InetSocketAddress(8080));
   }
}

這樣,在處理業(yè)務(wù)邏輯時(shí),就和Netty一樣了:

public class TcpServerHandle extends IoHandlerAdapter {

   @Override
   public void exceptionCaught(IoSession session, Throwable cause)
           throws Exception
{
       cause.printStackTrace();
   }

   @Override
   public void messageReceived(IoSession session, Object message)
           throws Exception
{

     // 讀取客戶端傳過(guò)來(lái)的Student對(duì)象
     StudentMsg.Student student = (StudentMsg.Student) message;
       System.out.println("ID:" + student.getId());
       System.out.println("Name:" + student.getName());
       System.out.println("Email:" + student.getEmail());
       System.out.println("Friends:");
       List<String> friends = student.getFriendsList();
       for(String friend : friends) {
         System.out.println(friend);
       }

       // 新建一個(gè)Student對(duì)象傳到客戶端
       StudentMsg.Student.Builder builder = StudentMsg.Student.newBuilder();
       builder.setId(9);
       builder.setName("服務(wù)器");
       builder.setEmail("123@abc.com");
       builder.addFriends("X");
       builder.addFriends("Y");
       StudentMsg.Student student2 = builder.build();
       session.write(student2);
   }
}

3. Twisted

在 Twisted 中,首先定義一個(gè) ProtobufProtocol 類,繼承 Protocol 類,充當(dāng)編碼器和解碼器。處理業(yè)務(wù)邏輯的 TcpServerHandle 類再繼承 ProtobufProtocol 類,調(diào)用或重寫 ProtobufProtocol 提供的方法。

# -*- coding:utf-8 –*-

from struct import pack, unpack
from twisted.internet.protocol import Factory
from twisted.internet.protocol import Protocol
from twisted.internet import reactor
import StudentMsg_pb2

# protobuf編碼、解碼器
class ProtobufProtocol(Protocol):

   # 用于暫時(shí)存放接收到的數(shù)據(jù)
   _buffer = b""

   def dataReceived(self, data):
       # 上次未處理的數(shù)據(jù)加上本次接收到的數(shù)據(jù)
       self._buffer = self._buffer + data
       # 一直循環(huán)直到新的消息沒(méi)有接收完整
       while True:
           # 如果header接收完整
           if len(self._buffer) >= 4:
               # header部分,按大字節(jié)序轉(zhuǎn)int,獲取body長(zhǎng)度
               length, = unpack(">I", self._buffer[0:4])
               # 如果body接收完整
               if len(self._buffer) >= 4 + length:
                   # body部分,protobuf字節(jié)碼
                   packet = self._buffer[4:4 + length]

                   # protobuf字節(jié)碼轉(zhuǎn)成Student對(duì)象
                   student = StudentMsg_pb2.Student()
                   student.ParseFromString(packet)

                   # 調(diào)用protobufReceived傳入Student對(duì)象
                   self.protobufReceived(student)

                   # 去掉_buffer中已經(jīng)處理的消息部分
                   self._buffer = self._buffer[4 + length:]
               else:
                   break;
           else:
               break;

   def protobufReceived(self, student):
       raise NotImplementedError

   def sendProtobuf(self, student):
       # Student對(duì)象轉(zhuǎn)為protobuf字節(jié)碼
       data = student.SerializeToString()
       # 添加Header前綴指定protobuf字節(jié)碼長(zhǎng)度
       self.transport.write(pack(">I", len(data)) + data)

# 邏輯代碼
class TcpServerHandle(ProtobufProtocol):

   # 實(shí)現(xiàn)ProtobufProtocol提供的protobufReceived
   def protobufReceived(self, student):

       # 將接收到的Student輸出
       print 'ID:' + str(student.id)
       print 'Name:' + student.name
       print 'Email:' + student.email
       print 'Friends:'
       for friend in student.friends:
           print friend

       # 創(chuàng)建一個(gè)Student并發(fā)送給客戶端
       student2 = StudentMsg_pb2.Student()
       student2.id = 9
       student2.name = '服務(wù)器'.decode('UTF-8') # 中文需要轉(zhuǎn)成UTF-8字符串
       student2.email = '123@abc.com'
       student2.friends.append('X')
       student2.friends.append('Y')
       self.sendProtobuf(student2)

factory = Factory()
factory.protocol = TcpServerHandle
reactor.listenTCP(8080, factory)
reactor.run()

下面是Java編寫的一個(gè)客戶端測(cè)試程序:

public class TcpClient {

   public static void main(String[] args) throws IOException {

       Socket socket = null;
       DataOutputStream out = null;
       DataInputStream in = null;

       try {

           socket = new Socket("localhost", 8080);
           out = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());
           in = new DataInputStream(socket.getInputStream());

           // 創(chuàng)建一個(gè)Student傳給服務(wù)器
           StudentMsg.Student.Builder builder = StudentMsg.Student.newBuilder();
           builder.setId(1);
           builder.setName("客戶端");
           builder.setEmail("xxg@163.com");
           builder.addFriends("A");
           builder.addFriends("B");
           StudentMsg.Student student = builder.build();
           byte[] outputBytes = student.toByteArray(); // Student轉(zhuǎn)成字節(jié)碼
           out.writeInt(outputBytes.length); // write header
           out.write(outputBytes); // write body
           out.flush();

           // 獲取服務(wù)器傳過(guò)來(lái)的Student
           int bodyLength = in.readInt();  // read header
           byte[] bodyBytes = new byte[bodyLength];
           in.readFully(bodyBytes);  // read body
           StudentMsg.Student student2 = StudentMsg.Student.parseFrom(bodyBytes); // body字節(jié)碼解析成Student
           System.out.println("Header:" + bodyLength);
           System.out.println("Body:");
           System.out.println("ID:" + student2.getId());
           System.out.println("Name:" + student2.getName());
           System.out.println("Email:" + student2.getEmail());
           System.out.println("Friends:");
           List<String> friends = student2.getFriendsList();
           for(String friend : friends) {
             System.out.println(friend);
           }

       } finally {
           // 關(guān)閉連接
           in.close();
           out.close();
           socket.close();
       }
   }
}

用客戶端分別測(cè)試上面三個(gè)TCP服務(wù)器:

服務(wù)器輸出:

ID:1

Name:客戶端

Email:xxg@163.com

Friends:

A

B

客戶端輸出:

Header:32

Body:

ID:9

Name:服務(wù)器

Email:123@abc.com

Friends:

X

Y

向AI問(wèn)一下細(xì)節(jié)

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