Netty、MINA、Twisted一起学系列05：整合protobuf
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文章已获得作者授权，原文地址：xxgblog.com/2014/08/27/mina-netty-twisted-5
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。
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<SocketChannel>() {
@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<String> 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<String> 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<String> 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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