米哈游1面：Netty 包含哪些经典的设计模式？

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你好，我是猿java。

Netty 是一个优秀的、高性能、异步的事件驱动网络应用框架，它内部使用了许多经典的设计模式。这篇文章，我们来详细分析 Netty到底使用了哪些优秀的设计模式，并且结合 Netty 的具体实现来探讨这些模式的应用。

这篇文章，我们分析 8个有代表性的模式：

  1. 责任链模式
  2. 观察者模式
  3. 工厂模式
  4. 适配器模式
  5. 策略模式
  6. 原型模式
  7. 单例模式
  8. 模板方法模式

1. 责任链模式

概念：
责任链模式(Chain of Responsibility)用于将请求沿着处理链传播，每个对象都有机会处理请求或将其传递给下一个对象。
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Netty 中的应用：
Netty 的 ChannelPipeline 和 ChannelHandler 正是责任链模式的经典实现。ChannelPipeline 是一组互相连接的 ChannelHandler 对象，每个 ChannelHandler 执行对数据流的处理。

实现案例：

  • 在 Netty 中，ChannelPipeline 提供了一组按顺序工作的 ChannelHandler，可分为入站（inbound）和出站（outbound）。
  • 当接收到数据时，它会沿入站处理链传播，各个入站 ChannelHandler 依次处理该数据（如解码、业务逻辑处理等）。
  • 当发送数据时，它会沿出站处理链传播，各个出站 ChannelHandler 依次处理该数据（如编码、压缩等）。

代码示例：

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ChannelPipeline pipeline = channel.pipeline();
pipeline.addLast(new DecoderHandler());
pipeline.addLast(new BusinessLogicHandler());
pipeline.addLast(new EncoderHandler());

每个处理器都会处理其关心的部分，并将其余的事情交给链内的下一个处理器。

2. 观察者模式

概念：
观察者模式(Observer)定义了对象之间的一对多依赖关系，当目标对象状态发生改变时，其依赖者（观察者）会收到通知并自动更新。
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Netty 中的应用：
Netty 的事件驱动模型通过观察者模式实现。当 Selector 检测到特定事件（如 read 或 write 准备完成）后会通知对应的 Channel。Channel 会触发事件并将任务提交到合适的处理器执行。

实现案例：

  • ChannelFuture 是 Netty 中观察者模式的典型应用，例如，当你向服务器发送数据时，可以通过 ChannelFuture 注册监听器，来监控数据发送是否完成。
  • 当操作完成时，监听器会被通知从而执行用户定义的回调逻辑。

代码示例：

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ChannelFuture future = channel.writeAndFlush(message);
future.addListener(new ChannelFutureListener() {
    @Override
    public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {
        if (future.isSuccess()) {
            System.out.println("Write successful!");
        } else {
            System.out.println("Write failed: " + future.cause());
        }
    }
});

ChannelFutureListener 是典型的观察者，当 ChannelFuture 的状态变化时会收到通知。

3. 工厂模式

概念：
工厂模式(Factory)用于创建对象的实例，屏蔽了对象创建的复杂性。

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Netty 中的应用：
Netty 使用工厂模式隐藏了创建复杂对象的细节，常见的是 EventLoopGroup 和 Bootstrap 等组件。

实现案例：

  • EventLoopGroup 是执行事件循环的关键组件，Netty 提供了多种实现（如 NIO 的 NioEventLoopGroup 和 Epoll 的 EpollEventLoopGroup），用户可以通过抽象工厂模式指定自己需要的实现。
  • Bootstrap 和 ServerBootstrap 也是工厂模式的经典应用，它们用于构造客户端和服务端配置。

代码示例：

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EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
bootstrap.group(group)
    .channel(NioSocketChannel.class)
    .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
        @Override
        protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
            ch.pipeline().addLast(new MyHandler());
        }
    });

用户只需要调用 Bootstrap 的方法即可完成工厂的配置，隐藏了复杂的配置逻辑。

4. 适配器模式

概念：
适配器模式(Adapter)用来将一个类的接口转换为另一个接口，以实现接口之间的兼容。

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Netty 中的应用：
Netty 的 ChannelHandlerAdapter 和 ChannelInboundHandlerAdapter 是典型的适配器模式应用，它们简化了 ChannelHandler 的实现。

实现案例：

  • Netty 的 ChannelHandler 提供了很多接口方法，但用户可能只需要实现一小部分逻辑。在这种情况下，用户无需全部实现所有方法，可以继承 ChannelInboundHandlerAdapter 或 ChannelOutboundHandlerAdapter 来简化代码。

代码示例：

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public class MyHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        System.out.println("Message received: " + msg);
        ctx.fireChannelRead(msg);
    }
}

通过适配器，用户不需要实现 ChannelHandler 的所有方法，同时保留了灵活性。

5. 策略模式

概念：
策略模式(Strategy)将一组算法封装起来，使得它们可以互换，同时将算法的选择独立于使用这些算法的客户。

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Netty 中的应用：
Netty 在其 EventLoopGroup 和处理 IO 的任务分配中采用了策略模式。通过抽象的 EventLoop，Netty 支持多种不同的多路复用机制（如 NIO、Epoll 等）。

实现案例：

  • EventLoopGroup 支持多种实现，并根据运行环境动态选择策略，例如在 Linux 平台优先选择 Epoll。
  • Netty 的序列化与解码器也使用了策略模式，不同的序列化方式可以互相替换（如 protobuf、JSON 等）。

代码示例：

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EventLoopGroup group = new EpollEventLoopGroup(); // Linux 平台下的高性能实现
Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
bootstrap.group(group)
    .channel(EpollSocketChannel.class);

用户可以灵活替换实现以适配特定需求。

6. 原型模式

概念：
原型模式 (Prototype)通过克隆的方式创建对象，而不是直接实例化。

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Netty 中的应用：
Netty 的缓冲区分配（ByteBufAllocator）中使用了原型模式。为了减少内存分配和回收的开销，Netty 提供了池化的缓冲区，通过克隆和回收来重复利用缓冲区。

实现案例：

  • PooledByteBufAllocator 负责提供缓冲区，其内部维护了一系列固定大小的内存块，用于内存分配和回收。
  • 使用原型模式减少了频繁的内存分配成本。

7. 单例模式

概念：
单例模式(Singleton)保证一个类只存在一个实例，并提供全局访问点。

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Netty 中的应用：
Netty 中某些共享的组件采用单例模式，例如 Unpooled 类和一些内部工具类。

实现案例：

  • Unpooled 是非池化缓冲区的工厂类，它使用单例模式提供缓冲区操作的统一入口。

代码示例：

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ByteBuf buf = Unpooled.buffer(256);

8. 模板方法模式

概念：
模板方法模式(Template Method)允许在基类定义操作的框架，而将具体实现延迟到子类。

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Netty 中的应用：
Netty 的很多组件都提供了模板方法模式的实现，例如 ChannelInitializer 用于设置 ChannelPipeline。

实现案例：

  • 用户通过继承 ChannelInitializer 定义自己的逻辑，而底层框架负责调用和执行。

代码示例：

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public class MyChannelInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
    @Override
    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
        ch.pipeline().addLast(new MyHandler());
    }
}

9. 总结

这篇文章，我们详细地分析了 Netty 包含的经典设计模式，并结合 Netty 的具体实现来探讨这些模式的应用。因为篇幅有限，我们只分析了 8种有代表性的模型，但是 Netty的设计模式绝不仅仅只有这些，它们都是经典的设计模式。作为Java领域一款经典的网络通信工具，Netty绝对值得我们花时间去琢磨。

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