Netty、MINA、Twisted一起学系列05：整合protobuf

文章已获得作者授权，原文地址：xxgblog.com/2014/08/27/mina-netty-twisted-5

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protobuf 是谷歌的 Protocol Buffers 的简称，用于结构化数据和字节码之间互相转换（序列化、反序列化），一般应用于网络传输，可支持多种编程语言。

protobuf 如何使用这里不再介绍，本文主要介绍在 MINA、Netty、Twisted 中如何使用 protobuf。

在前一篇文章（Netty、MINA、Twisted一起学系列04：定制自己的协议）中，有介绍到一种用一个固定为4字节的前缀Header来指定Body的字节数的一种消息分割方式，在这里同样要使用到。只是其中 Body 的内容不再是字符串，而是 protobuf 字节码。

Netty、MINA、Twisted一起学系列05：整合protobuf

在处理业务逻辑时，肯定不希望还要对数据进行序列化和反序列化，而是希望直接操作一个对象，那么就需要有相应的编码器和解码器，将序列化和反序列化的逻辑写在编码器和解码器中。有关编码器和解码器的实现，上一篇文章中有介绍。

Netty 包中已经自带针对 protobuf 的编码器和解码器，那么就不用再自己去实现了。而 MINA、Twisted 还需要自己去实现 protobuf 的编码器和解码器。

这里定义一个protobuf数据结构，用于描述一个学生的信息，保存为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 分别生成 Java 和 Python 代码，将代码加入到相应的项目中。生成的代码就不再贴上来了。下面分别介绍在 Netty、MINA、Twisted 如何使用 protobuf 来传输 Student 信息。

1 Netty

Netty 自带 protobuf 的编码器和解码器，分别是 ProtobufEncoder 和 ProtobufDecoder。需要注意的是，ProtobufEncoder 和 ProtobufDecoder 只负责 protobuf 的序列化和反序列化，而处理消息 Header 前缀和消息分割的还需要 LengthFieldBasedFrameDecoder 和 LengthFieldPrepender。LengthFieldBasedFrameDecoder 即用于解析消息 Header 前缀，根据 Header 中指定的 Body 字节数截取 Body，LengthFieldPrepender 用于在wirte消息时在消息前面添加一个 Header 前缀来指定 Body 字节数。

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() {
                       @Override
                       public void initChannel(SocketChannel ch)
                               throws Exception{
                           ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();

             // 负责通过4字节Header指定的Body长度将消息切割
             pipeline.addLast("frameDecoder",
                 new LengthFieldBasedFrameDecoder(1048576, 0, 4, 0, 4));

             // 负责将frameDecoder处理后的完整的一条消息的protobuf字节码转成Student对象
             pipeline.addLast("protobufDecoder",
                 new ProtobufDecoder(StudentMsg.Student.getDefaultInstance()));

             // 负责将写入的字节码加上4字节Header前缀来指定Body长度
             pipeline.addLast("frameEncoder", new LengthFieldPrepender(4));

             // 负责将Student对象转成protobuf字节码
             pipeline.addLast("protobufEncoder", new ProtobufEncoder());

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

处理事件时，接收和发送的参数直接就是Student对象。

public class TcpServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter{

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

       // 读取客户端传过来的Student对象
     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 friends = student.getFriendsList();
       for(String friend : friends) {
         System.out.println(friend);
       }

       // 新建一个Student对象传到客户端
       StudentMsg.Student.Builder builder = StudentMsg.Student.newBuilder();
       builder.setId(9);
       builder.setName("服务器");
       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 中没有针对 protobuf 的编码器和解码器，但是可以自己实现一个功能和 Netty 一样的编码器和解码器。

编码器：

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对象转为protobuf字节码
       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);
   }
}

解码器：

public class MinaProtobufDecoder extends CumulativeProtocolDecoder{

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

   // 如果没有接收完Header部分（4字节），直接返回false
   if (in.remaining() < 4) {
     return false;
   } else {

     // 标记开始位置，如果一条消息没传输完成则返回到这个位置
     in.mark();

     // 读取header部分，获取body长度
     int bodyLength = in.getInt();

     // 如果body没有接收完整，直接返回false
     if (in.remaining() < bodyLength) {
       in.reset(); // IoBuffer position回到原来标记的地方
       return false;
     } else {
       byte[] bodyBytes = new byte[bodyLength];
       in.get(bodyBytes); // 读取body部分
       StudentMsg.Student student = StudentMsg.Student.parseFrom(bodyBytes); // 将body中protobuf字节码转成Student对象
       out.write(student); // 解析出一条消息
       return true;
     }
   }
 }
}

MINA 服务器加入 protobuf 的编码器和解码器：

public class TcpServer{

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

       // 指定protobuf的编码器和解码器
       acceptor.getFilterChain().addLast("codec",
               new ProtocolCodecFilter(new MinaProtobufEncoder(), new MinaProtobufDecoder()));

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

这样，在处理业务逻辑时，就和Netty一样了：

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{

     // 读取客户端传过来的Student对象
     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 friends = student.getFriendsList();
       for(String friend : friends) {
         System.out.println(friend);
       }

       // 新建一个Student对象传到客户端
       StudentMsg.Student.Builder builder = StudentMsg.Student.newBuilder();
       builder.setId(9);
       builder.setName("服务器");
       builder.setEmail("123@abc.com");
       builder.addFriends("X");
       builder.addFriends("Y");
       StudentMsg.Student student2 = builder.build();
       session.write(student2);
   }
}

3. Twisted

在 Twisted 中，首先定义一个 ProtobufProtocol 类，继承 Protocol 类，充当编码器和解码器。处理业务逻辑的 TcpServerHandle 类再继承 ProtobufProtocol 类，调用或重写 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编码、解码器
class ProtobufProtocol(Protocol):

   # 用于暂时存放接收到的数据
   _buffer = b""

   def dataReceived(self, data):
       # 上次未处理的数据加上本次接收到的数据
       self._buffer = self._buffer + data
       # 一直循环直到新的消息没有接收完整
       while True:
           # 如果header接收完整
           if len(self._buffer) >= 4:
               # header部分，按大字节序转int，获取body长度
               length, = unpack(">I", self._buffer[0:4])
               # 如果body接收完整
               if len(self._buffer) >= 4 + length:
                   # body部分，protobuf字节码
                   packet = self._buffer[4:4 + length]

                   # protobuf字节码转成Student对象
                   student = StudentMsg_pb2.Student()
                   student.ParseFromString(packet)

                   # 调用protobufReceived传入Student对象
                   self.protobufReceived(student)

                   # 去掉_buffer中已经处理的消息部分
                   self._buffer = self._buffer[4 + length:]
               else:
                   break;
           else:
               break;

   def protobufReceived(self, student):
       raise NotImplementedError

   def sendProtobuf(self, student):
       # Student对象转为protobuf字节码
       data = student.SerializeToString()
       # 添加Header前缀指定protobuf字节码长度
       self.transport.write(pack(">I", len(data)) + data)

# 逻辑代码
class TcpServerHandle(ProtobufProtocol):

   # 实现ProtobufProtocol提供的protobufReceived
   def protobufReceived(self, student):

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

       # 创建一个Student并发送给客户端
       student2 = StudentMsg_pb2.Student()
       student2.id = 9
       student2.name = '服务器'.decode('UTF-8') # 中文需要转成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编写的一个客户端测试程序：

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());

           // 创建一个Student传给服务器
           StudentMsg.Student.Builder builder = StudentMsg.Student.newBuilder();
           builder.setId(1);
           builder.setName("客户端");
           builder.setEmail("xxg@163.com");
           builder.addFriends("A");
           builder.addFriends("B");
           StudentMsg.Student student = builder.build();
           byte[] outputBytes = student.toByteArray(); // Student转成字节码
           out.writeInt(outputBytes.length); // write header
           out.write(outputBytes); // write body
           out.flush();

           // 获取服务器传过来的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字节码解析成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 friends = student2.getFriendsList();
           for(String friend : friends) {
             System.out.println(friend);
           }

       } finally {
           // 关闭连接
           in.close();
           out.close();
           socket.close();
       }
   }
}

用客户端分别测试上面三个TCP服务器：

服务器输出：

ID:1
Name:客户端
Email:xxg@163.com
Friends:
A
B

客户端输出：

Header:32
Body:
ID:9
Name:服务器
Email:123@abc.com
Friends:
X
Y

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