构建Netty部分的内容结构。

基于Netty的服务端开发.md
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AmyliaY 5 years ago
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@ -88,26 +88,33 @@
- [IO模型](docs/Netty/IOTechnologyBase/IO模型.md)
- [四种IO编程及对比](docs/Netty/IOTechnologyBase/四种IO编程及对比.md)
### TCP粘包/拆包
### Netty 粘拆包解决方案
- [TCP粘拆包问题及Netty中的解决方案](docs/Netty/TCP粘拆包/TCP粘拆包问题及Netty中的解决方案.md)
### Netty 编解码开发
- [编解码技术]()
- [Java常用的序列化框架]()
### Netty 编解码
- [Java序列化缺点与主流编解码框架](docs/Netty/Netty编解码/Java序列化缺点与主流编解码框架.md)
### Netty 多协议开发
- [HTTP协议开发]()
- [WebSocket协议开发]()
- [自定义协议开发]()
- [基于HTTP协议的Netty开发](docs/Netty/Netty多协议开发/基于HTTP协议的Netty开发.md)
- [基于WebSocket协议的Netty开发](docs/Netty/Netty多协议开发/基于WebSocket协议的Netty开发.md)
- [基于自定义协议的Netty开发](docs/Netty/Netty多协议开发/基于自定义协议的Netty开发.md)
### Netty源码分析
- [Channel和Unsafe组件]()
### 基于Netty开发服务端及客户端
- [基于Netty的服务端开发](docs/Netty/基于Netty开发服务端及客户端/基于Netty的服务端开发.md)
- [基于Netty的客户端开发](docs/Netty/基于Netty开发服务端及客户端/基于Netty的客户端开发.md)
### Netty 主要组件的源码分析
- [ByteBuffer组件]()
- [Channel组件 和 Unsafe组件]()
- [ChannelPipeline 和 ChannelHandler组件]()
- [EventLoop 和 EventLoopGroup组件]()
- [Future 和 Promise组件]()
### Netty 高级特性
- [Java多线程编程在Netty中的应用]()
- [Netty的高性能之道]()
- [Netty 架构设计](docs/Netty/AdvancedFeaturesOfNetty/Netty架构设计.md)
- [Java 多线程编程在 Netty中的应用](docs/Netty/AdvancedFeaturesOfNetty/Java多线程编程再Netty中的应用.md)
- [Netty 高性能之道](docs/Netty/AdvancedFeaturesOfNetty/Netty高性能之道.md)
- [Netty 高可靠性设计](docs/Netty/AdvancedFeaturesOfNetty/Netty高可靠性设计.md)
## Redis
- 努力编写中...

@ -582,7 +582,7 @@ public final class StringBuffer extends AbstractStringBuilder
}
```
### Mybatis中的范例
MyBatis 的初始化过程使用了建造者模式,抽象类 BaseBuilder 扮演了“建造者接口”的角色对一些公用方法进行了实现并定义了公共属性。XMLConfigBuilder、XMLMapperBuilder、XMLStatementBuilder 等实现类扮演了“具体建造者”的角色分别用于解析mybatis-config.xml配置文件、映射配置文件 以及 SQL节点。Configuration 和 SqlSessionFactoryBuilder 则分别扮演了“产品” 和 “导演”的角色。
MyBatis 的初始化过程使用了建造者模式,抽象类 BaseBuilder 扮演了“建造者接口”的角色对一些公用方法进行了实现并定义了公共属性。XMLConfigBuilder、XMLMapperBuilder、XMLStatementBuilder 等实现类扮演了“具体建造者”的角色分别用于解析mybatis-config.xml配置文件、映射配置文件 以及 SQL节点。Configuration 和 SqlSessionFactoryBuilder 则分别扮演了“产品” 和 “导演”的角色。**即SqlSessionFactoryBuilder 使用了 BaseBuilder建造者组件 对复杂对象 Configuration 进行了构建。**
BaseBuilder组件的设计与上面标准的建造者模式是有很大不同的BaseBuilder的建造者模式主要是为了将复杂对象Configuration的构建过程分解的层次更清晰将整个构建过程分解到多个“具体构造者”类中需要这些“具体构造者”共同配合才能完成Configuration的构造单个“具体构造者”不具有单独构造产品的能力这与StringBuilder及StringBuffer是不同的。

@ -0,0 +1,73 @@
本博文用于重点分析 Netty 的逻辑架构及关键的架构质量属性,希望有助于大家从 Netty 的架构设计中汲取营养,设计出高性能、高可靠
性和可扩展的程序。
## Netty的三层架构设计
Netty 采用了典型的三层网络架构进行设计和开发,其逻辑架构图如下所示。
![avatar](/images/Netty/Netty逻辑架构图.png)
### 通信调度层 Reactor
它由一系列辅助类完成,包括 Reactor线程 NioEventLoop 及其父类NioSocketChannel / NioServerSocketChannel 及其父类Buffer组件Unsafe组件 等。该层的主要职责就是**监听网络的读写和连接操作**,负责**将网络层的数据读取到内存缓冲区**,然后触发各种网络事件,例如连接创建、连接激活、读事件、写事件等,将这些事件触发到 PipeLine 中,由 PipeLine 管理的责任链来进行后续的处理。
### 责任链层 Pipeline
它负责上述的各种网络事件 在责任链中的有序传播,同时负责动态地编排责任链。责任链可以选择监听和处理自己关心的事件,它可以拦截处理事件,以及向前向后传播事件。不同应用的 Handler节点 的功能也不同,通常情况下,往往会开发 编解码Hanlder 用于消息的编解码,可以将外部的协议消息转换成 内部的POJO对象这样上层业务则只需要关心处理业务逻辑即可不需要感知底层的协议差异和线程模型差异实现了架构层面的分层隔离。
### 业务逻辑编排层 Service ChannelHandler
业务逻辑编排层通常有两类一类是纯粹的业务逻辑编排还有一类是其他的应用层协议插件用于特定协议相关的会话和链路管理。例如CMPP协议用于管理和中国移动短信系统的对接。
架构的不同层面,需要关心和处理的对象都不同,通常情况下,对于业务开发者,只需要关心责任链的拦截和 业务Handler 的编排。因为应用层协议栈往往是开发一次,到处运行,所以实际上对于业务开发者来说,只需要关心服务层的业务逻辑开发即可。各种应用协议以插件的形式提供,只有协议开发人员需要关注协议插件,对于其他业务开发人员来说,只需关心业务逻辑定制。这种分层的架构设计理念实现了 NIO框架 各层之间的解耦,便于上层业务协议栈的开发和业务逻辑的定制。
正是由于 Netty 的分层架构设计非常合理,基于 Netty 的各种应用服务器和协议栈开发才能够如雨后春笋般得到快速发展。
## 关键的架构质量属性
### 性能
影响最终产品的性能因素非常多,其中软件因素如下。
- 架构不合理导致的性能问题;
- 编码实现不合理导致的性能问题,例如,锁没用好导致的性能瓶颈。
硬件因素如下。
- 服务器硬件配置太低导致的性能问题;
- 带宽、磁盘的 IOPS 等限制导致的 IO操作 性能差;
- 测试环境被共用导致被测试的软件产品受到影响。
尽管影响产品性能的因素非常多,但是架构的性能模型合理与否对性能的影响非常大。如果一个产品的架构设计得不好,无论开发如何努力,都很难开发出一个高性能、高可用的软件产品。
“性能是设计出来的,而不是测试出来的”。下面我们看看 Netty 的架构设计是如何实现高性能的。
1. 采用非阻塞的 NIO类库基于 Reactor 模式实现,解决了传统 同步阻塞IO模式 下一个服务端无法平滑地处理线性增长的客户端的问题。
2. TCP 接收和发送缓冲区**使用直接内存代替堆内存,避免了内存复制**,提升了 IO 读取和写入的性能。
3. 支持通过内存池的方式循环利用 ByteBuffer避免了频繁创建和销毁 ByteBuffer 带来的性能损耗。
4. 可配置的 IO线程数、TCP参数 等,为不同的用户场景提供定制化的调优参数,满足不同的性能场景。
5. 采用环形数组缓冲区实现无锁化并发编程,代替传统的线程安全容器或者锁。
6. 合理地使用线程安全容器、原子类等,提升系统的并发处理能力。
7. 关键资源的处理使用单线程串行化的方式,避免多线程并发访问带来的锁竞争和额外的 CPU资源消耗问题。
8. 通过引用计数器及时地申请释放不再被引用的对象,细粒度的内存管理降低了 GC 的频率,减少了频繁 GC 带来的延时和 CPU损耗。
### 可靠性
作为一个高性能的异步通信框架,架构的可靠性是大家选择的另一个重要依据。下面我们看一下 Netty架构 的可靠性设计。
**1、链路有效性检测**
由于长连接不需要每次发送消息都创建链路,也不需要在消息交互完成时关闭链路,因此相对于短连接性能更高。对于长连接,一旦链路建立成功便一直维系双方之间的链路,直到系统退出。
为了保证长连接的链路有效性,往往需要通过心跳机制周期性地进行链路检测。使用周期性心跳的原因是:在系统空闲时,例如凌晨,往往没有业务消息。如果此时链路被防火墙 Hang住或者遭遇网络闪断、网络单通等通信双方无法识别出这类链路异常。等到第二天业务高峰期到来时瞬间的海量业务冲击会导致消息积压无法发送给对方由于链路的重建需要时间这期间业务会大量失败 (集群或者分布式组网情况会好一些)。为了解决这个问题,需要周期性的 “心跳检测” 对链路进行有效性检查,一旦发生问题,可以及时关闭链路,重建 TCP连接。
当有业务消息时无须心跳检测可以由业务消息进行链路可用性检测。所以心跳消息往往是在链路空闲时发送的。为了支持心跳机制Netty 提供了如下两种链路空闲检测机制。
- 读空闲超时机制:当经过 连续的周期 T 没有消息可读时,触发 超时Handler用户可以基于 该读空闲超时Handler 发送心跳消息,进行链路检测,如果连续 N个周期 仍然没有读取到心跳消息,可以主动关闭这条链路。
- 写空闲超时机制:当经过 连续的周期 T 没有消息要发送时,触发 超时Handler用户可以基于 该写空闲超时Handler 发送心跳消息,进行链路检测,如果连续 N 个周期 仍然没有接收到对方的心跳消息,可以主动关闭这条链路。
为了满足不同用户场景的心跳定制Netty 提供了空闲状态检测事件通知机制,用户可以订阅:空闲超时事件、读空闲超时机制、写空闲超时事件,在接收到对应的空闲事件之后,灵活地进行定制。
**2、内存保护机制**
Netty 提供多种机制对内存进行保护,包括以下几个方面。
- 通过对象引用计数器对 Netty 的 ByteBuffer 等内置对象进行细粒度的内存申请和释放,对非法的对象引用进行检测和保护。
- 通过内存池来重用 ByteBuffer节省内存。
- 可设置的内存容量上限,包括 ByteBuffer、线程池线程数等。
### 可定制性
Netty 的可定制性主要体现在以下几点。
- 责任链模式ChannelPipeline 基于责任链模式开发,便于业务逻辑的拦截、定制和扩展。
- 基于接口的开发:关键的类库都提供了接口或者抽象类,如果 Netty 自身的实现无法满足用户的需求,可以由用户自定义实现相关接口。
- 提供了大量工厂类,通过重载这些工厂类可以按需创建出用户实现的对象。
- 提供了大量的系统参数供用户按需设置,增强系统的场景定制性。
### 可扩展性
基于 Netty 的 基本NIO框架可以方便地进行应用层协议定制例如HTTP协议栈、Thrift协议栈、FTP协议栈 等。这些扩展不需要修改 Netty 的源码,直接基于 Netty 的二进制类库即可实现协议的扩展和定制。目前,业界存在大量的基于 Netty框架 开发的协议,例如基于 Netty 的 HTTP协议、Dubbo协议、RocketMQ内部私有协议 等。

@ -0,0 +1,606 @@
## Netty 服务端创建源码分析
当我们直接使用 JDK 的 NIO类库 开发基于 NIO 的异步服务端时,需要用到 多路复用器Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer、SelectionKey 等,相比于传统的 BIO开发NIO 的开发要复杂很多开发出稳定、高性能的异步通信框架一直是个难题。Netty 为了向使用者屏蔽 NIO通信 的底层细节在和用户交互的边界做了封装目的就是为了减少用户开发工作量降低开发难度。ServerBootstrap 是 Socket服务端 的启动辅助类,用户通过 ServerBootstrap 可以方便地创建 Netty 的服务端。
### Netty 服务端创建时序图
![avatar](/images/Netty/Netty服务端创建时序图.png)
下面我们对 Netty服务端创建 的关键步骤和原理进行详细解析。
1、**创建 ServerBootstrap实例**。ServerBootstrap 是 Netty服务端 的 启动辅助类,它提供了一系列的方法用于设置服务端启动相关的参数。底层对各种 原生NIO 的 API 进行了封装,减少了用户与 底层API 的接触降低了开发难度。ServerBootstrap 中只有一个 public 的无参的构造函数可以给用户直接使用ServerBootstrap 只开放一个无参的构造函数 的根本原因是 它的参数太多了,而且未来也可能会发生变化,为了解决这个问题,就需要引入 Builder建造者模式。
2、**设置并绑定 Reactor线程池**。Netty 的 Reactor线程池 是 EventLoopGroup它实际上是一个 EventLoop数组。EventLoop 的职责是处理所有注册到本线程多路复用器 Selector 上的 ChannelSelector 的轮询操作由绑定的 EventLoop线程 的 run()方法 驱动在一个循环体内循环执行。值得说明的是EventLoop 的职责不仅仅是处理 网络IO事件用户自定义的Task 和 定时任务Task 也统一由 EventLoop 负责处理,这样线程模型就实现了统一。从调度层面看,也不存在从 EventLoop线程 中再启动其他类型的线程用于异步执行另外的任务,这样就避免了多线程并发操作和锁竞争,提升了 IO线程 的处理和调度性能。
3、**设置并绑定 服务端Channel**。作为 NIO服务端需要创建 ServerSocketChannelNetty 对 原生NIO类库 进行了封装对应的实现是NioServerSocketChannel。对于用户而言不需要关心 服务端Channel 的底层实现细节和工作原理,只需要指定具体使用哪种服务端 Channel 即可。因此Netty 中 ServerBootstrap的基类 提供了 channel()方法,用于指定 服务端Channel 的类型。Netty 通过工厂类,利用反射创建 NioServerSocketChannel对象。由于服务端监听端口往往只需要在系统启动时才会调用因此反射对性能的影响并不大。相关代
码如下。
```java
public abstract class AbstractBootstrap<B extends AbstractBootstrap<B, C>, C extends Channel> implements Cloneable {
/**
* 通过 参数channelClass 创建一个 Channel实例
*/
public B channel(Class<? extends C> channelClass) {
if (channelClass == null) {
throw new NullPointerException("channelClass");
}
return channelFactory(new ReflectiveChannelFactory<C>(channelClass));
}
}
```
4、**链路建立的时候创建并初始化 ChannelPipeline**。ChannelPipeline 并不是 NIO服务端 必需的,它本质就是一个负责处理网络事件的职责链,负责管理和执行 ChannelHandler。网络事件以事件流的形式在 ChannelPipeline 中流转,由 ChannelPipeline 根据 ChannelHandler的执行策略 调度 ChannelHandler的执行。典型的网络事件如下。
1. 链路注册;
2. 链路激活;
3. 链路断开;
4. 接收到请求消息;
5. 请求消息接收并处理完毕;
6. 发送应答消息;
7. 链路发生异常;
8. 发生用户自定义事件。
5、**初始化 ChannelPipeline 完成之后,添加并设置 ChannelHandler**。ChannelHandler 是 Netty 提供给用户定制和扩展的关键接口。利用 ChannelHandler 用户可以完成大多数的功能定制例如消息编解码、心跳、安全认证、TSL/SSL 认证、流量控制和流量整形等。Netty 同时也提供了大量的 系统ChannelHandler 供用户使用,比较实用的 系统ChannelHandler 总结如下。
1. 系统编解码框架ByteToMessageCodec
2. 基于长度的半包解码器LengthFieldBasedFrameDecoder
3. 码流日志打印 HandlerLoggingHandler
4. SSL 安全认证 HandlerSslHandler
5. 链路空闲检测 HandlerIdleStateHandler
6. 流量整形 HandlerChannelTrafficShapingHandler
7. Base64 编解码Base64Decoder 和 Base64Encoder。
创建和添加 ChannelHandler 的代码示例如下。
```java
.childHandler( new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ch.pipeline().addLast( new EchoServerHandler() );
}
});
```
6、**绑定并启动监听端口**。在绑定监听端口之前系统会做一系列的初始化和检测工作,完成之后,会启动监听端口,并将 ServerSocketChannel 注册到 Selector 上监听客户端连接。
7、**Selector 轮询**。由 Reactor线程 NioEventLoop 负责调度和执行 Selector 轮询操作,选择准备就绪的 Channel集合相关代码如下。
```java
public final class NioEventLoop extends SingleThreadEventLoop {
private void select(boolean oldWakenUp) throws IOException {
Selector selector = this.selector;
......
int selectedKeys = selector.select(timeoutMillis);
selectCnt ++;
......
}
}
```
8、**当轮询到 准备就绪的Channel 之后,就由 Reactor线程 NioEventLoop 执行 ChannelPipeline 的相应方法,最终调度并执行 ChannelHandler**,接口如下图所示。
![avatar](/images/Netty/ChannelPipeline的调度相关方法.png)
9、**执行 Netty 中 系统的ChannelHandler 和 用户添加定制的ChannelHandler** 。ChannelPipeline 根据网络事件的类型,调度并执行 ChannelHandler相关代码如下。
```java
public class DefaultChannelPipeline implements ChannelPipeline {
@Override
public final ChannelPipeline fireChannelRead(Object msg) {
AbstractChannelHandlerContext.invokeChannelRead(head, msg);
return this;
}
}
```
### 结合 Netty源码 对服务端的创建过程进行解析
首先通过构造函数创建 ServerBootstrap实例随后通常会创建两个 EventLoopGroup实例 (也可以只创建一个并共享),代码如下。
```java
EventLoopGroup acceptorGroup = new NioEventLoopGroup();
EventLoopGroup iOGroup = new NioEventLoopGroup();
```
NioEventLoopGroup 实际就是一个 Reactor线程池负责调度和执行客户端的接入、网络读写事件的处理、用户自定义任务和定时任务的执行。通过 ServerBootstrap 的 group()方法 将两个 EventLoopGroup实例 传入,代码如下。
```java
public class ServerBootstrap extends AbstractBootstrap<ServerBootstrap, ServerChannel> {
/**
* Set the {@link EventLoopGroup} for the parent (acceptor) and the child (client). These
* {@link EventLoopGroup}'s are used to handle all the events and IO for {@link ServerChannel} and
* {@link Channel}'s.
*/
public ServerBootstrap group(EventLoopGroup parentGroup, EventLoopGroup childGroup) {
super.group(parentGroup);
if (childGroup == null) {
throw new NullPointerException("childGroup");
}
if (this.childGroup != null) {
throw new IllegalStateException("childGroup set already");
}
this.childGroup = childGroup;
return this;
}
}
```
其中 parentGroup对象 被设置进了 ServerBootstrap 的父类 AbstractBootstrap 中,代码如下。
```java
public abstract class AbstractBootstrap<B extends AbstractBootstrap<B, C>, C extends Channel> implements Cloneable {
volatile EventLoopGroup group;
/**
* The {@link EventLoopGroup} which is used to handle all the events for the to-be-created
* {@link Channel}
*/
public B group(EventLoopGroup group) {
if (group == null) {
throw new NullPointerException("group");
}
if (this.group != null) {
throw new IllegalStateException("group set already");
}
this.group = group;
return self();
}
}
```
该方法会被客户端和服务端重用,用于设置 工作IO线程执行和调度网络事件的读写。线程组和线程类型设置完成后需要设置 服务端Channel 用于端口监听和客户端链路接入。Netty 通过 Channel工厂类 来创建不同类型的 Channel对于服务端需要创建 NioServerSocketChannel。所以通过指定 Channel类型 的方式创建 Channel工厂。ReflectiveChannelFactory 可以根据 Channel的类型 通过反射创建 Channel的实例服务端需要创建的是 NioServerSocketChannel实例代码如下。
```java
public class ReflectiveChannelFactory<T extends Channel> implements ChannelFactory<T> {
private final Constructor<? extends T> constructor;
public ReflectiveChannelFactory(Class<? extends T> clazz) {
ObjectUtil.checkNotNull(clazz, "clazz");
try {
this.constructor = clazz.getConstructor();
} catch (NoSuchMethodException e) {
throw new IllegalArgumentException("Class " + StringUtil.simpleClassName(clazz) +
" does not have a public non-arg constructor", e);
}
}
@Override
public T newChannel() {
try {
return constructor.newInstance();
} catch (Throwable t) {
throw new ChannelException("Unable to create Channel from class " + constructor.getDeclaringClass(), t);
}
}
}
```
指定 NioServerSocketChannel 后,需要设置 TCP 的一些参数,作为服务端,主要是设置 TCP 的 backlog参数。
backlog 指定了内核为此套接口排队的最大连接个数,对于给定的监听套接口,内核要维护两个队列:未链接队列 和 已连接队列,根据 TCP三次握手 的 三个子过程来分隔这两个队列。服务器处于 listen状态 时,收到客户端 syn过程(connect) 时在未完成队列中创建一个新的条目,然后用三次握手的第二个过程,即服务器的 syn响应客户端此条目在第三个过程到达前 (客户端对服务器 syn 的 ack) 一直保留在未完成连接队列中,如果三次握手完成,该条目将从未完成连接队列搬到已完成连接队列尾部。当进程调用 accept 时从已完成队列中的头部取出一个条目给进程当已完成队列为空时进程将睡眠直到有条目在已完成连接队列中才唤醒。backlog 被规定为两个队列总和的最大值,大多数实现默认值为 5但在高并发 Web服务器 中此值显然不够。 需要设置此值更大一些的原因是,未完成连接队列的长度可能因为客户端 syn 的到达及等待三次握手的第三个过程延时 而增大。Netty 默认的 backlog 为 100当然用户可以修改默认值这需要根据实际场景和网络状况进行灵活设置。
TCP参数 设置完成后,用户可以为启动辅助类和其父类分别指定 Handler。两者 Handler 的用途不同:子类中的 Handler 是 NioServerSocketChannel 对应的 ChannelPipeline 的 Handler父类中的 Handler 是客户端新接入的连接 SocketChannel 对应的 ChannelPipeline 的 Handler。两者的区别可以通过下图来展示。
![avatar](/images/Netty/ServerBootstrap的Handler模型.png)
本质区别就是ServerBootstrap 中的 Handler 是 NioServerSocketChannel 使用的所有连接该监听端口的客户端都会执行它父类AbstractBootstrap 中的 Handler 是个工厂类,它为每个新接入的客户端都创建一个新的 Handler。
服务端启动的最后一步,就是绑定本地端口,启动服务,下面我们来分析下这部分代码。
```java
public abstract class AbstractBootstrap<B extends AbstractBootstrap<B, C>, C extends Channel> implements Cloneable {
private ChannelFuture doBind(final SocketAddress localAddress) {
final ChannelFuture regFuture = initAndRegister();
final Channel channel = regFuture.channel();
if (regFuture.cause() != null) {
return regFuture;
}
if (regFuture.isDone()) {
// At this point we know that the registration was complete and successful.
ChannelPromise promise = channel.newPromise();
doBind0(regFuture, channel, localAddress, promise);
return promise;
} else {
// Registration future is almost always fulfilled already, but just in case it's not.
final PendingRegistrationPromise promise = new PendingRegistrationPromise(channel);
regFuture.addListener(new ChannelFutureListener() {
@Override
public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {
Throwable cause = future.cause();
if (cause != null) {
// Registration on the EventLoop failed so fail the ChannelPromise directly to not cause an
// IllegalStateException once we try to access the EventLoop of the Channel.
promise.setFailure(cause);
} else {
// Registration was successful, so set the correct executor to use.
// See https://github.com/netty/netty/issues/2586
promise.registered();
doBind0(regFuture, channel, localAddress, promise);
}
}
});
return promise;
}
}
}
```
先看下上述代码调用的 initAndRegister()方法。它首先实例化了一个 NioServerSocketChannel类型 的 Channel对象。相关代码如下。
```java
final ChannelFuture initAndRegister() {
Channel channel = null;
try {
channel = channelFactory.newChannel();
init(channel);
} catch (Throwable t) {
if (channel != null) {
// channel can be null if newChannel crashed (eg SocketException("too many open files"))
channel.unsafe().closeForcibly();
// as the Channel is not registered yet we need to force the usage of the GlobalEventExecutor
return new DefaultChannelPromise(channel, GlobalEventExecutor.INSTANCE).setFailure(t);
}
// as the Channel is not registered yet we need to force the usage of the GlobalEventExecutor
return new DefaultChannelPromise(new FailedChannel(), GlobalEventExecutor.INSTANCE).setFailure(t);
}
ChannelFuture regFuture = config().group().register(channel);
if (regFuture.cause() != null) {
if (channel.isRegistered()) {
channel.close();
} else {
channel.unsafe().closeForcibly();
}
}
return regFuture;
}
```
NioServerSocketChannel 创建成功后,对它进行初始化,初始化工作主要有以下三点。
```java
@Override
void init(Channel channel) throws Exception {
final Map<ChannelOption<?>, Object> options = options0();
synchronized (options) {
setChannelOptions(channel, options, logger);
}
// 1、设置 Socket参数 和 NioServerSocketChannel 的附加属性
final Map<AttributeKey<?>, Object> attrs = attrs0();
synchronized (attrs) {
for (Entry<AttributeKey<?>, Object> e: attrs.entrySet()) {
@SuppressWarnings("unchecked")
AttributeKey<Object> key = (AttributeKey<Object>) e.getKey();
channel.attr(key).set(e.getValue());
}
}
// 2、将 AbstractBootstrap 的 Handler 添加到 NioServerSocketChannel
// 的 ChannelPipeline 中
ChannelPipeline p = channel.pipeline();
final EventLoopGroup currentChildGroup = childGroup;
final ChannelHandler currentChildHandler = childHandler;
final Entry<ChannelOption<?>, Object>[] currentChildOptions;
final Entry<AttributeKey<?>, Object>[] currentChildAttrs;
synchronized (childOptions) {
currentChildOptions = childOptions.entrySet().toArray(newOptionArray(0));
}
synchronized (childAttrs) {
currentChildAttrs = childAttrs.entrySet().toArray(newAttrArray(0));
}
// 3、将用于服务端注册的 Handler ServerBootstrapAcceptor 添加到 ChannelPipeline 中
p.addLast(new ChannelInitializer<Channel>() {
@Override
public void initChannel(final Channel ch) throws Exception {
final ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
ChannelHandler handler = config.handler();
if (handler != null) {
pipeline.addLast(handler);
}
ch.eventLoop().execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
pipeline.addLast(new ServerBootstrapAcceptor(
ch, currentChildGroup, currentChildHandler, currentChildOptions, currentChildAttrs));
}
});
}
});
}
```
到此Netty 服务端监听的相关资源已经初始化完毕,就剩下最后一步,注册 NioServerSocketChannel 到 Reactor线程 的多路复用器上,然后轮询客户端连接事件。在分析注册代码之前,我们先通过下图,看看目前 NioServerSocketChannel 的 ChannelPipeline 的组成。
![avatar](/images/Netty/NioServerSocketChannel的ChannelPipeline.png)
最后,我们看下 NioServerSocketChannel 的注册。当 NioServerSocketChannel 初始化完成之后,需要将它注册到 Reactor线程 的多路复用器上监听新客户端的接入,代码如下。
```java
public abstract class AbstractChannel extends DefaultAttributeMap implements Channel {
protected abstract class AbstractUnsafe implements Unsafe {
/**
* 将完成初始化的 NioServerSocketChannel 注册到 Reactor线程
* 的多路复用器上,监听新客户端的接入
*/
@Override
public final void register(EventLoop eventLoop, final ChannelPromise promise) {
......
// 首先判断是否是 NioEventLoop 自身发起的操作。如果是,则不存在并发操作,直接
// 执行 Channel注册如果由其他线程发起则封装成一个 Task 放入消息队列中异步执行。
// 此处,由于是由 ServerBootstrap 所在线程执行的注册操作,所以会将其封装成 Task 投递
// 到 NioEventLoop 中执行
if (eventLoop.inEventLoop()) {
register0(promise);
} else {
try {
eventLoop.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
register0(promise);
}
});
} catch (Throwable t) {
......
}
}
}
private void register0(ChannelPromise promise) {
try {
// check if the channel is still open as it could be closed in the mean time when the register
// call was outside of the eventLoop
if (!promise.setUncancellable() || !ensureOpen(promise)) {
return;
}
boolean firstRegistration = neverRegistered;
// 该方法在本类中是一个空实现,下面看一下它在子类 AbstractNioChannel 中的实现
doRegister();
neverRegistered = false;
registered = true;
pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded();
safeSetSuccess(promise);
pipeline.fireChannelRegistered();
if (isActive()) {
if (firstRegistration) {
pipeline.fireChannelActive();
} else if (config().isAutoRead()) {
beginRead();
}
}
} catch (Throwable t) {
closeForcibly();
closeFuture.setClosed();
safeSetFailure(promise, t);
}
}
}
}
public abstract class AbstractNioChannel extends AbstractChannel {
@Override
protected void doRegister() throws Exception {
boolean selected = false;
for (;;) {
try {
// 将 NioServerSocketChannel 注册到 NioEventLoop 的 多路复用器Selector 上
selectionKey = javaChannel().register(eventLoop().unwrappedSelector(), 0, this);
return;
} catch (CancelledKeyException e) {
......
}
}
}
}
```
到此,服务端监听启动部分源码已经分析完成。
## 结合 Netty源码 对客户端接入过程进行解析
负责处理网络读写、连接和客户端请求接入的 Reactor线程 就是 NioEventLoop下面我们看下 NioEventLoop 是如何处理新的客户端连接接入的。当 多路复用器 检测到新的准备就绪的 Channel 时,默认执行 processSelectedKeysOptimized()方法,代码如下。
```java
public final class NioEventLoop extends SingleThreadEventLoop {
private void processSelectedKeys() {
if (selectedKeys != null) {
processSelectedKeysOptimized();
} else {
processSelectedKeysPlain(selector.selectedKeys());
}
}
private void processSelectedKeysOptimized() {
for (int i = 0; i < selectedKeys.size; ++i) {
final SelectionKey k = selectedKeys.keys[i];
selectedKeys.keys[i] = null;
final Object a = k.attachment();
if (a instanceof AbstractNioChannel) {
// 根据就绪的操作位 SelectionKey执行不同的操作
processSelectedKey(k, (AbstractNioChannel) a);
} else {
@SuppressWarnings("unchecked")
NioTask<SelectableChannel> task = (NioTask<SelectableChannel>) a;
processSelectedKey(k, task);
}
if (needsToSelectAgain) {
selectedKeys.reset(i + 1);
selectAgain();
i = -1;
}
}
}
// 根据就绪的操作位 SelectionKey执行不同的操作
private void processSelectedKey(SelectionKey k, AbstractNioChannel ch) {
// 由于不同的 Channel 执行不同的操作,所以 NioUnsafe 被设计成接口
// 由不同的 Channel 内部的 NioUnsafe实现类 负责具体实现
final AbstractNioChannel.NioUnsafe unsafe = ch.unsafe();
if (!k.isValid()) {
final EventLoop eventLoop;
try {
eventLoop = ch.eventLoop();
} catch (Throwable ignored) {
return;
}
if (eventLoop != this || eventLoop == null) {
return;
}
unsafe.close(unsafe.voidPromise());
return;
}
try {
int readyOps = k.readyOps();
if ((readyOps & SelectionKey.OP_CONNECT) != 0) {
int ops = k.interestOps();
ops &= ~SelectionKey.OP_CONNECT;
k.interestOps(ops);
unsafe.finishConnect();
}
if ((readyOps & SelectionKey.OP_WRITE) != 0) {
ch.unsafe().forceFlush();
}
// read()方法 的实现有两个,分别是 NioByteUnsafe 和 NioMessageUnsafe
// 对于 NioServerSocketChannel它使用的是 NioMessageUnsafe
// 下面看一下 NioMessageUnsafe 对 read() 方法的实现
if ((readyOps & (SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_ACCEPT)) != 0 || readyOps == 0) {
unsafe.read();
}
} catch (CancelledKeyException ignored) {
unsafe.close(unsafe.voidPromise());
}
}
}
public abstract class AbstractNioMessageChannel extends AbstractNioChannel {
private final class NioMessageUnsafe extends AbstractNioUnsafe {
private final List<Object> readBuf = new ArrayList<Object>();
@Override
public void read() {
assert eventLoop().inEventLoop();
final ChannelConfig config = config();
final ChannelPipeline pipeline = pipeline();
final RecvByteBufAllocator.Handle allocHandle = unsafe().recvBufAllocHandle();
allocHandle.reset(config);
boolean closed = false;
Throwable exception = null;
try {
try {
do {
// 接收新的客户端连接并创建 NioSocketChannel
int localRead = doReadMessages(readBuf);
if (localRead == 0) {
break;
}
if (localRead < 0) {
closed = true;
break;
}
allocHandle.incMessagesRead(localRead);
} while (allocHandle.continueReading());
} catch (Throwable t) {
exception = t;
}
int size = readBuf.size();
for (int i = 0; i < size; i ++) {
readPending = false;
// 接收到新的客户端连接后,触发 ChannelPipeline 的 channelRead方法。
// 事件在 ChannelPipeline 中传递,执行 ServerBootstrapAcceptor 的
// channelRead方法
pipeline.fireChannelRead(readBuf.get(i));
}
......
}
}
}
}
public class NioServerSocketChannel extends AbstractNioMessageChannel
implements io.netty.channel.socket.ServerSocketChannel {
/**
* 接收新的客户端连接并创建 NioSocketChannel
*/
@Override
protected int doReadMessages(List<Object> buf) throws Exception {
SocketChannel ch = SocketUtils.accept(javaChannel());
try {
if (ch != null) {
buf.add(new NioSocketChannel(this, ch));
return 1;
}
} catch (Throwable t) {
......
}
return 0;
}
}
public class ServerBootstrap extends AbstractBootstrap<ServerBootstrap, ServerChannel> {
private static class ServerBootstrapAcceptor extends ChannelInboundHandlerAdapter {
/**
* 该方法主要分为如下三个步骤。
*/
@Override
@SuppressWarnings("unchecked")
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
final Channel child = (Channel) msg;
// 第一步:将启动时传入的 childHandler 加入到客户端 SocketChannel 的 ChannelPipeline 中
child.pipeline().addLast(childHandler);
// 第二步:设置客户端 SocketChannel 的 TCP参数
setChannelOptions(child, childOptions, logger);
for (Entry<AttributeKey<?>, Object> e: childAttrs) {
child.attr((AttributeKey<Object>) e.getKey()).set(e.getValue());
}
// 第三步:注册 SocketChannel 到多路复用器
try {
childGroup.register(child).addListener(new ChannelFutureListener() {
@Override
public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {
if (!future.isSuccess()) {
forceClose(child, future.cause());
}
}
});
} catch (Throwable t) {
forceClose(child, t);
}
}
}
}
```
下面我们展开看下 NioSocketChannel 的 register()方法。NioSocketChannel 的注册方法与 ServerSocketChannel 的一致, 也是将 Channel 注册到 Reactor线程 的多路复用器上。由于注册的操作位是 0所以此时 NioSocketChannel 还不能读取客户端发送的消息,下面我们看看 是什么时候修改监听操作位为 OP_READ 的。
执行完注册操作之后,紧接着会触发 ChannelReadComplete 事件。我们继续分析 ChannelReadComplete 在 ChannelPipeline 中的处理流程Netty 的 Header 和 Tail 本身不关注 ChannelReadComplete事件 就直接透传,执行完 ChannelReadComplete 后,接着执行 PipeLine 的 read()方法,最终执行 HeadHandler 的 read()方法。
HeadHandler 的 read()方法用来将网络操作位修改为读操作。创建 NioSocketChannel 的时候已经将 AbstractNioChannel 的 readInterestOp 设置为 OP_ READ这样执行 selectionKey. interestOps(interestOps | readInterestOp)操作 时就会把操作位设置为 OP_READ。代码如下。
```java
public abstract class AbstractNioByteChannel extends AbstractNioChannel {
protected AbstractNioByteChannel(Channel parent, SelectableChannel ch) {
super(parent, ch, SelectionKey.OP_READ);
}
}
```
到此,新接入的客户端连接处理完成,可以进行网络读写等 IO操作。

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