[netty5: ByteToMessageCodec MessageToByteEncoder ByteToMessageDecoder]-源碼分析

ByteToMessageCodec

ByteToMessageCodec 是一個結合了 ByteToMessageDecoder 和 MessageToByteEncoder 的編解碼器，可以實時地將字節流編碼或解碼為消息，反之亦然。

public abstract class ByteToMessageCodec<I> extends ChannelHandlerAdapter {private final TypeParameterMatcher outboundMsgMatcher;private final MessageToByteEncoder<I> encoder;private final ByteToMessageDecoder decoder = new ByteToMessageDecoder() {@Overridepublic void decode(ChannelHandlerContext ctx, Buffer in) throws Exception {ByteToMessageCodec.this.decode(ctx, in);}@Overrideprotected void decodeLast(ChannelHandlerContext ctx, Buffer in) throws Exception {ByteToMessageCodec.this.decodeLast(ctx, in);}};protected ByteToMessageCodec() {this((BufferAllocator) null);}protected ByteToMessageCodec(Class<? extends I> outboundMessageType) {this(outboundMessageType, null);}protected ByteToMessageCodec(BufferAllocator allocator) {outboundMsgMatcher = TypeParameterMatcher.find(this, ByteToMessageCodec.class, "I");encoder = new Encoder(allocator);}protected ByteToMessageCodec(Class<? extends I> outboundMessageType, BufferAllocator allocator) {outboundMsgMatcher = TypeParameterMatcher.get(outboundMessageType);encoder = new Encoder(allocator);}@Overridepublic final boolean isSharable() {return false;}public boolean acceptOutboundMessage(Object msg) throws Exception {return outboundMsgMatcher.match(msg);}@Overridepublic void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {decoder.channelRead(ctx, msg);}@Overridepublic Future<Void> write(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {return encoder.write(ctx, msg);}@Overridepublic void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {decoder.channelReadComplete(ctx);}@Overridepublic void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {decoder.channelInactive(ctx);}@Overridepublic void handlerAdded(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {try {decoder.handlerAdded(ctx);} finally {encoder.handlerAdded(ctx);}}@Overridepublic void handlerRemoved(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {try {decoder.handlerRemoved(ctx);} finally {encoder.handlerRemoved(ctx);}}protected abstract void encode(ChannelHandlerContext ctx, I msg, Buffer out) throws Exception;protected abstract void decode(ChannelHandlerContext ctx, Buffer in) throws Exception;protected void decodeLast(ChannelHandlerContext ctx, Buffer in) throws Exception {if (in.readableBytes() > 0) {decode(ctx, in);}}private final class Encoder extends MessageToByteEncoder<I> {private final BufferAllocator allocator;Encoder(BufferAllocator allocator) {this.allocator = allocator;}@Overridepublic boolean acceptOutboundMessage(Object msg) throws Exception {return ByteToMessageCodec.this.acceptOutboundMessage(msg);}@Overrideprotected Buffer allocateBuffer(ChannelHandlerContext ctx, I msg) throws Exception {BufferAllocator alloc = allocator != null? allocator : ctx.bufferAllocator();return alloc.allocate(256);}@Overrideprotected void encode(ChannelHandlerContext ctx, I msg, Buffer out) throws Exception {ByteToMessageCodec.this.encode(ctx, msg, out);}}
}

MessageToByteEncoder

MessageToByteEncoder 是一個用于將消息編碼為字節流的抽象類。它繼承自 ChannelHandlerAdapter，并通過兩個抽象方法來實現編碼功能：allocateBuffer 用于分配一個 Buffer，encode 用于將消息編碼到 Buffer 中。它通過 acceptOutboundMessage 方法決定是否處理給定的消息類型，并在 write 方法中執行編碼操作。

public abstract class MessageToByteEncoder<I> extends ChannelHandlerAdapter {private final TypeParameterMatcher matcher;protected MessageToByteEncoder() {matcher = TypeParameterMatcher.find(this, MessageToByteEncoder.class, "I");}protected MessageToByteEncoder(Class<? extends I> outboundMessageType) {matcher = TypeParameterMatcher.get(requireNonNull(outboundMessageType, "outboundMessageType"));}public boolean acceptOutboundMessage(Object msg) throws Exception {return matcher.match(msg);}@Overridepublic Future<Void> write(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {Buffer buf = null;try {if (acceptOutboundMessage(msg)) {@SuppressWarnings("unchecked")I cast = (I) msg;buf = allocateBuffer(ctx, cast);try (AutoCloseable ignore = autoClosing(cast)) {encode(ctx, cast, buf);}if (buf.readableBytes() > 0) {Future<Void> f = ctx.write(buf);buf = null;return f;}return ctx.write(ctx.bufferAllocator().allocate(0));}return ctx.write(msg);} catch (EncoderException e) {return ctx.newFailedFuture(e);} catch (Throwable e) {return ctx.newFailedFuture(new EncoderException(e));} finally {if (buf != null) {buf.close();}}}protected abstract Buffer allocateBuffer(ChannelHandlerContext ctx, I msg) throws Exception;protected abstract void encode(ChannelHandlerContext ctx, I msg, Buffer out) throws Exception;
}

ByteToMessageDecoder

ByteToMessageDecoder 是 Netty 5 中用于處理 TCP 粘包拆包的解碼器基礎類。它通過維護一個累積緩沖區 cumulation，將接收到的 Buffer 連續拼接、緩存，并在適當時機調用 decode(…) 方法將字節流轉為高層消息對象

public abstract class ByteToMessageDecoder extends ChannelHandlerAdapter {public static final Cumulator MERGE_CUMULATOR = new MergeCumulator();public static final Cumulator COMPOSITE_CUMULATOR = new CompositeBufferCumulator();private final int discardAfterReads = 16;private final Cumulator cumulator;// 累積的字節緩沖區，保存之前未解碼完的字節private Buffer cumulation;// 是否每次只解碼一條消息，默認關閉以提升性能，開啟后適合協議升級場景private boolean singleDecode;// 標記是否是第一次解碼調用private boolean first;// 標記本次 decode() 是否產出并傳遞了消息，決定是否需要繼續讀。private boolean firedChannelRead;// 標記當前的 channelRead 是 decoder 主動觸發的，防止重復觸發 read()。private boolean selfFiredChannelRead;// 統計讀操作次數private int numReads;// 包裝的上下文對象private ByteToMessageDecoderContext context;protected ByteToMessageDecoder() {this(MERGE_CUMULATOR);}protected ByteToMessageDecoder(Cumulator cumulator) {this.cumulator = requireNonNull(cumulator, "cumulator");}@Overridepublic final boolean isSharable() {// Can't be sharable as we keep state.return false;}public void setSingleDecode(boolean singleDecode) {this.singleDecode = singleDecode;}public boolean isSingleDecode() {return singleDecode;}protected int actualReadableBytes() {return internalBuffer().readableBytes();}protected Buffer internalBuffer() {return cumulation;}@Overridepublic final void handlerAdded(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {context = new ByteToMessageDecoderContext(ctx);handlerAdded0(context);}protected void handlerAdded0(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {}@Overridepublic final void handlerRemoved(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {Buffer buf = cumulation;if (buf != null) {cumulation = null;numReads = 0;int readable = buf.readableBytes();if (readable > 0) {ctx.fireChannelRead(buf);ctx.fireChannelReadComplete();} else {buf.close();}}handlerRemoved0(context);}protected void handlerRemoved0(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { }// 1. TCP 是流式協議，發送方即便發送了一整條消息，接收方可能會分多次讀取數據// 2. 每次讀取都觸發channelRead，讀取到的msg是Buffer類型，內容可能不完整，需要累積合并到 cumulation// 3. 每次讀取都會觸發callDecode，去嘗試根據現有的數據，進行解碼，如果成功則向調用鏈傳遞結果，否則啥也不干，等待下次 channelRead@Overridepublic void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {if (msg instanceof Buffer) {selfFiredChannelRead = true;try {Buffer data = (Buffer) msg;first = cumulation == null;if (first) {cumulation = data;} else {cumulation = cumulator.cumulate(ctx.bufferAllocator(), cumulation, data);}assert context.delegatingCtx() == ctx || ctx == context;// 嘗試解碼callDecode(context, cumulation);} catch (DecoderException e) {throw e;} catch (Exception e) {throw new DecoderException(e);} finally {// 如果數據已讀盡且無剩余，釋放 bufferif (cumulation != null && cumulation.readableBytes() == 0) {numReads = 0;if (cumulation.isAccessible()) {cumulation.close();}cumulation = null;} else if (++numReads >= discardAfterReads) {// 如果累計讀取次數到達閾值，主動丟棄已消費字節，防止 cumulation 越來越大numReads = 0;discardSomeReadBytes();}// 跟蹤本次讀數據是否至少成功解碼過一次, 向下游傳播了消息firedChannelRead |= context.fireChannelReadCallCount() > 0;// 狀態清理context.reset();}} else {ctx.fireChannelRead(msg);}}// 在 channelRead 之后，執行 channelReadComplete@Overridepublic void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {// 重置讀取次數，清理 cumulation 的無效字節。numReads = 0;discardSomeReadBytes();// 解碼還未成功過，自動讀取關閉，在 channelRead完成后，執行本方法時，手動觸發下一次讀取if (selfFiredChannelRead && !firedChannelRead && !ctx.channel().getOption(ChannelOption.AUTO_READ)) {ctx.read(); }// 重置狀態標志位并通知下游 handler。firedChannelRead = false;selfFiredChannelRead = false;ctx.fireChannelReadComplete();}protected final void discardSomeReadBytes() {// 丟棄 cumulation 中已消費的字節。只在存在歷史累積（!first）時執行if (cumulation != null && !first) {cumulator.discardSomeReadBytes(cumulation);}}@Overridepublic void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {assert context.delegatingCtx() == ctx || ctx == context;channelInputClosed(context, true);}@Overridepublic void channelShutdown(ChannelHandlerContext ctx, ChannelShutdownDirection direction) throws Exception {ctx.fireChannelShutdown(direction);if (direction == ChannelShutdownDirection.Inbound) {assert context.delegatingCtx() == ctx || ctx == context;channelInputClosed(context, false);}}// Channel 被關閉時，嘗試從 cumulation 中解碼剩余數據，釋放資源，并向下傳遞 fire* 事件private void channelInputClosed(ByteToMessageDecoderContext ctx, boolean callChannelInactive) {try {channelInputClosed(ctx);} catch (DecoderException e) {throw e;} catch (Exception e) {throw new DecoderException(e);} finally {if (cumulation != null) {cumulation.close();cumulation = null;}if (ctx.fireChannelReadCallCount() > 0) {ctx.reset();ctx.fireChannelReadComplete();}if (callChannelInactive) {ctx.fireChannelInactive();}}}void channelInputClosed(ByteToMessageDecoderContext ctx) throws Exception {if (cumulation != null) {callDecode(ctx, cumulation);if (!ctx.isRemoved()) {if (cumulation == null) {try (Buffer buffer = ctx.bufferAllocator().allocate(0)) {decodeLast(ctx, buffer);}} else {decodeLast(ctx, cumulation);}}} else {try (Buffer buffer = ctx.bufferAllocator().allocate(0)) {decodeLast(ctx, buffer);}}}void callDecode(ByteToMessageDecoderContext ctx, Buffer in) {try {// 當仍有未解碼的數據 (in.readableBytes() > 0) 且當前 Handler 還在 pipeline 中（未被移除），就繼續調用 decode() 試圖解碼更多消息。while (in.readableBytes() > 0 && !ctx.isRemoved()) {int oldInputLength = in.readableBytes();int numReadCalled = ctx.fireChannelReadCallCount();decodeRemovalReentryProtection(ctx, in);if (ctx.isRemoved()) {break;}if (numReadCalled == ctx.fireChannelReadCallCount()) {if (oldInputLength == in.readableBytes()) {break;} else {continue;}}if (oldInputLength == in.readableBytes()) {throw new DecoderException(StringUtil.simpleClassName(getClass()) +".decode() did not read anything but decoded a message.");}if (isSingleDecode()) {break;}}} catch (DecoderException e) {throw e;} catch (Exception cause) {throw new DecoderException(cause);}}protected void decodeLast(ChannelHandlerContext ctx, Buffer in) throws Exception {if (in.readableBytes() > 0) {decodeRemovalReentryProtection(ctx, in);}}final void decodeRemovalReentryProtection(ChannelHandlerContext ctx, Buffer in) throws Exception {decode(ctx, in);}// 建議結合 FixedLengthFrameDecoder閱讀，理解decode方法做了什么protected abstract void decode(ChannelHandlerContext ctx, Buffer in) throws Exception;// ...
}

ByteToMessageDecoderContext

ByteToMessageDecoderContext 是 Netty 為解碼器設計的包裝上下文，用于統計 fireChannelRead 次數，以精確控制解碼行為和數據流轉。

static final class ByteToMessageDecoderContext extends DelegatingChannelHandlerContext {private int fireChannelReadCalled;private ByteToMessageDecoderContext(ChannelHandlerContext ctx) {super(ctx);}void reset() {fireChannelReadCalled = 0;}int fireChannelReadCallCount() {return fireChannelReadCalled;}@Overridepublic ChannelHandlerContext fireChannelRead(Object msg) {fireChannelReadCalled ++;super.fireChannelRead(msg);return this;}
}

Cumulator

Cumulator 接口用于處理和累積多個 Buffer 數據。它有兩個主要方法，分別負責將多個 Buffer 合并成一個更大的 Buffer，并管理已經處理過的數據。

public interface Cumulator {// BufferAllocator alloc：緩沖區分配器，用于分配新的 Buffer// Buffer cumulation：當前的累積數據緩沖區// Buffer in：新的輸入數據緩沖區// 將多個 Buffer 合并成一個新的 Buffer，即將當前 Buffer 中的可讀數據與新的數據合并Buffer cumulate(BufferAllocator alloc, Buffer cumulation, Buffer in);// 丟棄緩沖區中已經讀取的數據，返回一個新的緩沖區，去除了之前已處理過的部分Buffer discardSomeReadBytes(Buffer cumulation);
}
CompositeBufferCumulator

CompositeBufferCumulator 適用于大量 Buffer 分段輸入時，通過復合緩沖區高效拼接，避免數據拷貝和緩沖區重分配。

private static final class CompositeBufferCumulator implements Cumulator {@Overridepublic Buffer cumulate(BufferAllocator alloc, Buffer cumulation, Buffer in) {// 如果累加緩沖區 cumulation 沒有可讀字節了，直接釋放并返回輸入緩沖區 inif (cumulation.readableBytes() == 0) {cumulation.close();return in;}try (in) {// 輸入緩沖區 in 沒有可讀字節，保留原來的 cumulation。if (in.readableBytes() == 0) {return cumulation;}// 如果累加緩沖區是只讀的，復制出一個可寫副本if (cumulation.readOnly()) {Buffer tmp = cumulation.copy();cumulation.close();cumulation = tmp;}// 如果當前累加區已經是 CompositeBuffer，直接擴展進去if (CompositeBuffer.isComposite(cumulation)) {CompositeBuffer composite = (CompositeBuffer) cumulation;composite.extendWith(prepareInForCompose(in));return composite;}return alloc.compose(Arrays.asList(cumulation.send(), prepareInForCompose(in)));}}// 確保 in 是只讀安全的后，調用 send() 移交所有權用于合并。private static Send<Buffer> prepareInForCompose(Buffer in) {return in.readOnly() ? in.copy().send() : in.send();}// 通過 readSplit(0) 剪掉已經讀過的部分，釋放空間。相比 compact() 更適合復合緩沖區（CompositeBuffer）@Overridepublic Buffer discardSomeReadBytes(Buffer cumulation) {cumulation.readSplit(0).close();return cumulation;}@Overridepublic String toString() {return "CompositeBufferCumulator";}
}
MergeCumulator

MergeCumulator 更適合頻繁接收小塊數據的場景，追求高訪問性能和代碼簡單；但當數據量變大時，可能因為頻繁擴容帶來復制開銷。

    private static final class MergeCumulator implements Cumulator {@Overridepublic Buffer cumulate(BufferAllocator alloc, Buffer cumulation, Buffer in) {// 如果當前累積的 Buffer 為空if (cumulation.readableBytes() == 0) {cumulation.close();return in;}try (in) {final int required = in.readableBytes();// 如果當前的累積 Buffer 沒有足夠的空間，或者它是只讀，就擴展大小。if (required > cumulation.writableBytes() || cumulation.readOnly()) {return expandCumulationAndWrite(alloc, cumulation, in);}cumulation.writeBytes(in);return cumulation;}}// 如果 cumulation 中的已讀字節數超過可寫字節數（readerOffset() > writableBytes()），則調用 compact() 方法來壓縮緩沖區，移除已讀的數據@Overridepublic Buffer discardSomeReadBytes(Buffer cumulation) {if (cumulation.readerOffset() > cumulation.writableBytes()) {cumulation.compact();}return cumulation;}private static Buffer expandCumulationAndWrite(BufferAllocator alloc, Buffer oldCumulation, Buffer in) {// 1. 計算新的 Buffer 大小：計算新的 Buffer 大小，確保它能夠容納當前的 cumulation 和輸入的 Buffer。新的大小是當前已讀字節和輸入字節總和的下一個最接近的 2 的冪次方。final int newSize = safeFindNextPositivePowerOfTwo(oldCumulation.readableBytes() + in.readableBytes());// 創建新的 Buffer：根據是否是只讀的 Buffer 來決定如何創建新的 Buffer。如果是只讀的，會重新分配內存；否則，直接擴展當前的 Buffer。Buffer newCumulation = oldCumulation.readOnly() ? alloc.allocate(newSize) :oldCumulation.ensureWritable(newSize);// 3. 將舊數據和新數據寫入新 Buffer：如果創建了新的 Buffer，將舊的 cumulation 和輸入的 Buffer 都寫入新的 Buffer。try {if (newCumulation != oldCumulation) {newCumulation.writeBytes(oldCumulation);}newCumulation.writeBytes(in);return newCumulation;} finally {// 4. 關閉舊的 Buffer：如果創建了新的 Buffer，則關閉原先的 cumulation，釋放內存。if (newCumulation != oldCumulation) {oldCumulation.close();}}}@Overridepublic String toString() {return "MergeCumulator";}}
}

FixedLengthFrameDecoder

在此引入這個類，只是因為這個類最簡單，方便大家理解 解碼器的工作流程。

  1. FixedLengthFrameDecoder：按照固定的字節長度切割每一幀，適用于每條消息長度一致的協議（如定長二進制協議）。
  2. LengthFieldBasedFrameDecoder：根據消息中指定位置的“長度字段”值來動態切割完整幀，適用于二進制協議。
  3. LineBasedFrameDecoder：以 \n 或 \r\n 為分隔符，將每行作為一幀，適用于基于文本的行協議。
  4. DelimiterBasedFrameDecoder：使用自定義的分隔符（如 $_、#END#）拆分幀，適用于定界符結束的文本協議。
public class FixedLengthFrameDecoder extends ByteToMessageDecoder {private final int frameLength;public FixedLengthFrameDecoder(int frameLength) {checkPositive(frameLength, "frameLength");this.frameLength = frameLength;}public FixedLengthFrameDecoder(int frameLength, Cumulator cumulator) {super(cumulator);checkPositive(frameLength, "frameLength");this.frameLength = frameLength;}// ByteToMessageDecoder(channelRead[首次讀] -> callDecode[循環讀取數據]// ->// decodeRemovalReentryProtection) // -> // FixedLengthFrameDecoder.decode@Overrideprotected final void decode(ChannelHandlerContext ctx, Buffer in) throws Exception {Object decoded = decode0(ctx, in);if (decoded != null) {// 只要解碼成功，就向下傳遞結果// ByteToMessageDecoderContext.fireChannelReadctx.fireChannelRead(decoded);}}protected Object decode0(@SuppressWarnings("UnusedParameters") ChannelHandlerContext ctx, Buffer in) throws Exception {if (in.readableBytes() < frameLength) {return null;} else {return in.readSplit(frameLength);}}
}

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