详细图解 Netty Reactor 启动全流程 | 万字长文 | 多图预警

本系列Netty源码解析文章基于 4.1.56.Final版本

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大家第一眼看到这幅流程图,是不是脑瓜子嗡嗡的呢?

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大家先不要惊慌,问题不大,本文笔者的目的就是要让大家清晰的理解这幅流程图,从而深刻的理解Netty Reactor的启动全流程,包括其中涉及到的各种代码设计实现细节。

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在上篇文章《聊聊Netty那些事儿之Reactor在Netty中的实现(创建篇)》中我们详细介绍了Netty服务端核心引擎组件主从Reactor组模型 NioEventLoopGroup以及Reactor模型 NioEventLoop的创建过程。最终我们得到了netty Reactor模型的运行骨架如下:

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现在Netty服务端程序的骨架是搭建好了,本文我们就基于这个骨架来深入剖析下Netty服务端的启动过程。

我们继续回到上篇文章提到的Netty服务端代码模板中,在创建完主从Reactor线程组:bossGroupworkerGroup后,接下来就开始配置Netty服务端的启动辅助类ServerBootstrap 了。

public final class EchoServer {
    static final int PORT = Integer.parseInt(System.getProperty("port", "8007"));

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // Configure the server.
        //创建主从Reactor线程组
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        final EchoServerHandler serverHandler = new EchoServerHandler();
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(bossGroup, workerGroup)//配置主从Reactor
             .channel(NioServerSocketChannel.class)//配置主Reactor中的channel类型
             .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 100)//设置主Reactor中channel的option选项
             .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))//设置主Reactor中Channel->pipline->handler
             .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {//设置从Reactor中注册channel的pipeline
                 @Override
                 public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                     ChannelPipeline p = ch.pipeline();
                     //p.addLast(new LoggingHandler(LogLevel.INFO));
                     p.addLast(serverHandler);
                 }
             });

            // Start the server. 绑定端口启动服务,开始监听accept事件
            ChannelFuture f = b.bind(PORT).sync();
            // Wait until the server socket is closed.
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            // Shut down all event loops to terminate all threads.
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

在上篇文章中我们对代码模板中涉及到ServerBootstrap 的一些配置方法做了简单的介绍,大家如果忘记的话,可以在返回去回顾一下。

ServerBootstrap类其实没有什么特别的逻辑,主要是对Netty启动过程中需要用到的一些核心信息进行配置管理,比如:

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  • Netty的核心引擎组件主从Reactor线程组: bossGroup,workerGroup。通过ServerBootstrap#group方法配置。

  • Netty服务端使用到的Channel类型:NioServerSocketChannel ,通过ServerBootstrap#channel方法配置。
    以及配置NioServerSocketChannel时用到的SocketOptionSocketOption用于设置底层JDK NIO Socket的一些选项。通过ServerBootstrap#option方法进行配置。

主ReactorGroup中的MainReactor管理的Channel类型为NioServerSocketChannel,如图所示主要用来监听端口,接收客户端连接,为客户端创建初始化NioSocketChannel,然后采用round-robin轮询的方式从图中从ReactorGroup中选择一个SubReactor与该客户端NioSocketChannel进行绑定。

从ReactorGroup中的SubReactor管理的Channel类型为NioSocketChannel,它是netty中定义客户端连接的一个模型,每个连接对应一个。如图所示SubReactor负责监听处理绑定在其上的所有NioSocketChannel上的IO事件。

  • 保存服务端NioServerSocketChannel和客户端NioSocketChannel对应pipeline中指定的ChannelHandler。用于后续Channel向Reactor注册成功之后,初始化Channel里的pipeline。

不管是服务端用到的NioServerSocketChannel还是客户端用到的NioSocketChannel,每个Channel实例都会有一个PipelinePipeline中有多个ChannelHandler用于编排处理对应Channel上感兴趣的IO事件

ServerBootstrap结构中包含了netty服务端程序启动的所有配置信息,在我们介绍启动流程之前,先来看下ServerBootstrap的源码结构:

ServerBootstrap

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ServerBootstrap的继承结构比较简单,继承层次的职责分工也比较明确。

ServerBootstrap主要负责对主从Reactor线程组相关的配置进行管理,其中带child前缀的配置方法是对从Reactor线程组的相关配置管理。从Reactor线程组中的Sub Reactor负责管理的客户端NioSocketChannel相关配置存储在ServerBootstrap结构中。

父类AbstractBootstrap则是主要负责对主Reactor线程组相关的配置进行管理,以及主Reactor线程组中的Main Reactor负责处理的服务端ServerSocketChannel相关的配置管理。

1. 配置主从Reactor线程组

ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.group(bossGroup, workerGroup)//配置主从Reactor
public class ServerBootstrap extends AbstractBootstrap<ServerBootstrap, ServerChannel> {

     //Main Reactor线程组
    volatile EventLoopGroup group;
    //Sub Reactor线程组
    private volatile EventLoopGroup childGroup;

    public ServerBootstrap group(EventLoopGroup parentGroup, EventLoopGroup childGroup) {
        //父类管理主Reactor线程组
        super.group(parentGroup);
        if (this.childGroup != null) {
            throw new IllegalStateException("childGroup set already");
        }
        this.childGroup = ObjectUtil.checkNotNull(childGroup, "childGroup");
        return this;
    }

}

2. 配置服务端ServerSocketChannel

ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.channel(NioServerSocketChannel.class);
public class ServerBootstrap extends AbstractBootstrap<ServerBootstrap, ServerChannel> {

    //用于创建ServerSocketChannel  ReflectiveChannelFactory
    private volatile ChannelFactory<? extends C> channelFactory;

    public B channel(Class<? extends C> channelClass) {
        return channelFactory(new ReflectiveChannelFactory<C>(
                ObjectUtil.checkNotNull(channelClass, "channelClass")
        ));
    }

    @Deprecated
    public B channelFactory(ChannelFactory<? extends C> channelFactory) {
        ObjectUtil.checkNotNull(channelFactory, "channelFactory");
        if (this.channelFactory != null) {
            throw new IllegalStateException("channelFactory set already");
        }

        this.channelFactory = channelFactory;
        return self();
    }

}

在向ServerBootstrap配置服务端ServerSocketChannelchannel 方法中,其实是创建了一个ChannelFactory工厂实例ReflectiveChannelFactory,在Netty服务端启动的过程中,会通过这个ChannelFactory去创建相应的Channel实例。

我们可以通过这个方法来配置netty的IO模型,下面为ServerSocketChannel在不同IO模型下的实现:

BIO NIO AIO
OioServerSocketChannel NioServerSocketChannel AioServerSocketChannel

EventLoopGroup Reactor线程组在不同IO模型下的实现:

BIO NIO AIO
ThreadPerChannelEventLoopGroup NioEventLoopGroup AioEventLoopGroup

我们只需要将IO模型的这些核心接口对应的实现类前缀改为对应IO模型的前缀,就可以轻松在Netty中完成对IO模型的切换。

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2.1 ReflectiveChannelFactory

public class ReflectiveChannelFactory<T extends Channel> implements ChannelFactory<T> {
    //NioServerSocketChannelde 构造器
    private final Constructor<? extends T> constructor;

    public ReflectiveChannelFactory(Class<? extends T> clazz) {
        ObjectUtil.checkNotNull(clazz, "clazz");
        try {
            //反射获取NioServerSocketChannel的构造器
            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 {
            //创建NioServerSocketChannel实例
            return constructor.newInstance();
        } catch (Throwable t) {
            throw new ChannelException("Unable to create Channel from class " + constructor.getDeclaringClass(), t);
        }
    }
}

从类的签名我们可以看出,这个工厂类是通过泛型反射的方式来创建对应的Channel实例。

  • 泛型参数T extends Channel表示的是要通过工厂类创建的Channel类型,这里我们初始化的是NioServerSocketChannel
  • ReflectiveChannelFactory 的构造器中通过反射的方式获取NioServerSocketChannel的构造器。
  • newChannel 方法中通过构造器反射创建NioServerSocketChannel实例。

注意这时只是配置阶段,NioServerSocketChannel此时并未被创建。它是在启动的时候才会被创建出来。

3. 为NioServerSocketChannel配置ChannelOption

ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
//设置被MainReactor管理的NioServerSocketChannel的Socket选项
b.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 100)
public abstract class AbstractBootstrap<B extends AbstractBootstrap<B, C>, C extends Channel> implements Cloneable {

    //serverSocketChannel中的ChannelOption配置
    private final Map<ChannelOption<?>, Object> options = new LinkedHashMap<ChannelOption<?>, Object>();

    public <T> B option(ChannelOption<T> option, T value) {
        ObjectUtil.checkNotNull(option, "option");
        synchronized (options) {
            if (value == null) {
                options.remove(option);
            } else {
                options.put(option, value);
            }
        }
        return self();
    }
}

无论是服务端的NioServerSocketChannel还是客户端的NioSocketChannel它们的相关底层Socket选项ChannelOption配置全部存放于一个Map类型的数据结构中。

由于客户端NioSocketChannel是由从Reactor线程组中的Sub Reactor来负责处理,所以涉及到客户端NioSocketChannel所有的方法和配置全部是以child前缀开头。

ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
.childOption(ChannelOption.TCP_NODELAY, Boolean.TRUE)
public class ServerBootstrap extends AbstractBootstrap<ServerBootstrap, ServerChannel> {

   //客户端SocketChannel对应的ChannelOption配置
    private final Map<ChannelOption<?>, Object> childOptions = new LinkedHashMap<ChannelOption<?>, Object>();

    public <T> ServerBootstrap childOption(ChannelOption<T> childOption, T value) {
        ObjectUtil.checkNotNull(childOption, "childOption");
        synchronized (childOptions) {
            if (value == null) {
                childOptions.remove(childOption);
            } else {
                childOptions.put(childOption, value);
            }
        }
        return this;
    }
}

相关的底层Socket选项,netty全部枚举在ChannelOption类中,笔者这里就不一一列举了,在本系列后续相关的文章中,笔者还会为大家详细的介绍这些参数的作用。

public class ChannelOption<T> extends AbstractConstant<ChannelOption<T>> {

    ..................省略..............

    public static final ChannelOption<Boolean> SO_BROADCAST = valueOf("SO_BROADCAST");
    public static final ChannelOption<Boolean> SO_KEEPALIVE = valueOf("SO_KEEPALIVE");
    public static final ChannelOption<Integer> SO_SNDBUF = valueOf("SO_SNDBUF");
    public static final ChannelOption<Integer> SO_RCVBUF = valueOf("SO_RCVBUF");
    public static final ChannelOption<Boolean> SO_REUSEADDR = valueOf("SO_REUSEADDR");
    public static final ChannelOption<Integer> SO_LINGER = valueOf("SO_LINGER");
    public static final ChannelOption<Integer> SO_BACKLOG = valueOf("SO_BACKLOG");
    public static final ChannelOption<Integer> SO_TIMEOUT = valueOf("SO_TIMEOUT");

    ..................省略..............

}

4. 为服务端NioServerSocketChannel中的Pipeline配置ChannelHandler

    //serverSocketChannel中pipeline里的handler(主要是acceptor)
    private volatile ChannelHandler handler;

    public B handler(ChannelHandler handler) {
        this.handler = ObjectUtil.checkNotNull(handler, "handler");
        return self();
    }

NioServerSocketChannel中的Pipeline添加ChannelHandler分为两种方式:

  • 显式添加: 显式添加的方式是由用户在main线程中通过ServerBootstrap#handler的方式添加。如果需要添加多个ChannelHandler,则可以通过ChannelInitializerpipeline中进行添加。

关于ChannelInitializer后面笔者会有详细介绍,这里大家只需要知道ChannelInitializer是一种特殊的ChannelHandler,用于初始化pipeline。适用于向pipeline中添加多个ChannelHandler的场景。

            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(bossGroup, workerGroup)//配置主从Reactor
             .channel(NioServerSocketChannel.class)//配置主Reactor中的channel类型
             .handler(new ChannelInitializer<NioServerSocketChannel>() {
                 @Override
                 protected void initChannel(NioServerSocketChannel ch) throws Exception {
                     ChannelPipeline p = ch.pipeline();
                     p.addLast(channelhandler1)
                      .addLast(channelHandler2)
                      
                      ......
                     
                      .addLast(channelHandler3);
                 }
             })
  • 隐式添加:隐式添加主要添加的就是主ReactorGroup的核心组件也就是下图中的acceptor,Netty中的实现为ServerBootstrapAcceptor,本质上也是一种ChannelHandler,主要负责在客户端连接建立好后,初始化客户端NioSocketChannel,在从Reactor线程组中选取一个Sub Reactor,将客户端NioSocketChannel 注册到Sub Reactor中的selector上。

隐式添加ServerBootstrapAcceptor是由Netty框架在启动的时候负责添加,用户无需关心。

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在本例中,NioServerSocketChannelPipeLine中只有两个ChannelHandler,一个由用户在外部显式添加的LoggingHandler,另一个是由Netty框架隐式添加的ServerBootstrapAcceptor

其实我们在实际项目使用的过程中,不会向netty服务端NioServerSocketChannel添加额外的ChannelHandler,NioServerSocketChannel只需要专心做好自己最重要的本职工作接收客户端连接就好了。这里额外添加一个LoggingHandler只是为了向大家展示ServerBootstrap的配置方法。

5. 为客户端NioSocketChannel中的Pipeline配置ChannelHandler

            final EchoServerHandler serverHandler = new EchoServerHandler();

            serverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {//设置从Reactor中注册channel的pipeline
                 @Override
                 public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                     ChannelPipeline p = ch.pipeline();
            
                     p.addLast(new LoggingHandler(LogLevel.INFO));
                     p.addLast(serverHandler);
                 }
             });
    //socketChannel中pipeline中的处理handler
    private volatile ChannelHandler childHandler;

    public ServerBootstrap childHandler(ChannelHandler childHandler) {
        this.childHandler = ObjectUtil.checkNotNull(childHandler, "childHandler");
        return this;
    }

向客户端NioSocketChannel中的Pipeline里添加ChannelHandler完全是由用户自己控制显式添加,添加的数量不受限制。

由于在Netty的IO线程模型中,是由单个Sub Reactor线程负责执行客户端NioSocketChannel中的Pipeline,一个Sub Reactor线程负责处理多个NioSocketChannel上的IO事件,如果Pipeline中的ChannelHandler添加的太多,就会影响Sub Reactor线程执行其他NioSocketChannel上的Pipeline,从而降低IO处理效率,降低吞吐量。

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所以Pipeline中的ChannelHandler不易添加过多,并且不能再ChannelHandler中执行耗时的业务处理任务。

在我们通过ServerBootstrap配置netty服务端启动信息的时候,无论是向服务端NioServerSocketChannel的pipeline中添加ChannelHandler,还是向客户端NioSocketChannel的pipeline中添加ChannelHandler,当涉及到多个ChannelHandler添加的时候,我们都会用到ChannelInitializer,那么这个ChannelInitializer究竟是何方圣神,为什么要这样做呢?我们接着往下看~~

ChannelInitializer

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首先ChannelInitializer它继承于ChannelHandler,它自己本身就是一个ChannelHandler,所以它可以添加到childHandler中。

其他的父类大家这里可以不用管,后面文章中笔者会一一为大家详细介绍。

那为什么不直接添加ChannelHandler而是选择用ChannelInitializer呢?

这里主要有两点原因:

  • 前边我们提到,客户端NioSocketChannel是在服务端accept连接后,在服务端NioServerSocketChannel中被创建出来的。但是此时我们正处于配置ServerBootStrap阶段,服务端还没有启动,更没有客户端连接上来,此时客户端NioSocketChannel还没有被创建出来,所以也就没办法向客户端NioSocketChannel的pipeline中添加ChannelHandler

  • 客户端NioSocketChannelPipeline里可以添加任意多个ChannelHandler,但是Netty框架无法预知用户到底需要添加多少个ChannelHandler,所以Netty框架提供了回调函数ChannelInitializer#initChannel,使用户可以自定义ChannelHandler的添加行为。

当客户端NioSocketChannel注册到对应的Sub Reactor上后,紧接着就会初始化NioSocketChannel中的Pipeline,此时Netty框架会回调ChannelInitializer#initChannel执行用户自定义的添加逻辑。

public abstract class ChannelInitializer<C extends Channel> extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    @Override
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public final void channelRegistered(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        //当channelRegister事件发生时,调用initChannel初始化pipeline
        if (initChannel(ctx)) {
                 .................省略...............
        } else {
                 .................省略...............
        }
    }

    private boolean initChannel(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        if (initMap.add(ctx)) { // Guard against re-entrance.
            try {
                //此时客户单NioSocketChannel已经创建并初始化好了
                initChannel((C) ctx.channel());
            } catch (Throwable cause) {
                 .................省略...............
            } finally {
                  .................省略...............
            }
            return true;
        }
        return false;
    }

    protected abstract void initChannel(C ch) throws Exception;
    
    .................省略...............
}

这里由netty框架回调的ChannelInitializer#initChannel方法正是我们自定义的添加逻辑。

            final EchoServerHandler serverHandler = new EchoServerHandler();

            serverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {//设置从Reactor中注册channel的pipeline
                 @Override
                 public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                     ChannelPipeline p = ch.pipeline();
            
                     p.addLast(new LoggingHandler(LogLevel.INFO));
                     p.addLast(serverHandler);
                 }
             });

到此为止,Netty服务端启动所需要的必要配置信息,已经全部存入ServerBootStrap启动辅助类中。

接下来要做的事情就是服务端的启动了。

// Start the server. 绑定端口启动服务,开始监听accept事件
ChannelFuture f = serverBootStrap.bind(PORT).sync();

Netty服务端的启动

经过前面的铺垫终于来到了本文的核心内容—-Netty服务端的启动过程。

如代码模板中的示例所示,Netty服务端的启动过程封装在io.netty.bootstrap.AbstractBootstrap#bind(int)函数中。

接下来我们看一下Netty服务端在启动过程中究竟干了哪些事情?

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大家看到这副启动流程图先不要慌,接下来的内容笔者会带大家各个击破它,在文章的最后保证让大家看懂这副流程图。

我们先来从netty服务端启动的入口函数开始我们今天的源码解析旅程:

    public ChannelFuture bind(int inetPort) {
        return bind(new InetSocketAddress(inetPort));
    }

    public ChannelFuture bind(SocketAddress localAddress) {
        //校验Netty核心组件是否配置齐全
        validate();
        //服务端开始启动,绑定端口地址,接收客户端连接
        return doBind(ObjectUtil.checkNotNull(localAddress, "localAddress"));
    }

   private ChannelFuture doBind(final SocketAddress localAddress) {
        //异步创建,初始化,注册ServerSocketChannel到main reactor上
        final ChannelFuture regFuture = initAndRegister();
        final Channel channel = regFuture.channel();
        if (regFuture.cause() != null) {
            return regFuture;
        }

        if (regFuture.isDone()) {   

           ........serverSocketChannel向Main Reactor注册成功后开始绑定端口....,               
             
        } else {
            //如果此时注册操作没有完成,则向regFuture添加operationComplete回调函数,注册成功后回调。
            regFuture.addListener(new ChannelFutureListener() {
                @Override
                public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {

                   ........serverSocketChannel向Main Reactor注册成功后开始绑定端口...., 
            });
            return promise;
        }
    }

Netty服务端的启动流程总体如下:

  • 创建服务端NioServerSocketChannel并初始化。

  • 将服务端NioServerSocketChannel注册到主Reactor线程组中。

  • 注册成功后,开始初始化NioServerSocketChannel中的pipeline,然后在pipeline中触发channelRegister事件。

  • 随后由NioServerSocketChannel绑定端口地址。

  • 绑定端口地址成功后,向NioServerSocketChannel对应的Pipeline中触发传播ChannelActive事件,在ChannelActive事件回调中向Main Reactor注册OP_ACCEPT事件,开始等待客户端连接。服务端启动完成。

当netty服务端启动成功之后,最终我们会得到如下结构的阵型,开始枕戈待旦,准备接收客户端的连接,Reactor开始运转。

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接下来,我们就来看下Netty源码是如何实现以上步骤的~~

1. initAndRegister

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    final ChannelFuture initAndRegister() {
        Channel channel = null;
        try {
            //创建NioServerSocketChannel
            //ReflectiveChannelFactory通过泛型,反射,工厂的方式灵活创建不同类型的channel
            channel = channelFactory.newChannel();
            //初始化NioServerSocketChannel
            init(channel);
        } catch (Throwable t) {
            ..............省略.................
        }

        //向MainReactor注册ServerSocketChannel
        ChannelFuture regFuture = config().group().register(channel);

           ..............省略.................

        return regFuture;
    }

从函数命名中我们可以看出,这个函数主要做的事情就是首先创建NioServerSocketChannel ,并对NioServerSocketChannel 进行初始化,最后将NioServerSocketChannel 注册到Main Reactor中。

1.1 创建NioServerSocketChannel

还记得我们在介绍ServerBootstrap启动辅助类配置服务端ServerSocketChannel类型的时候提到的工厂类ReflectiveChannelFactory 吗?

因为当时我们在配置ServerBootstrap启动辅助类的时候,还没到启动阶段,而配置阶段并不是创建具体ServerSocketChannel的时机。

所以Netty通过工厂模式将要创建的ServerSocketChannel的类型(通过泛型指定)以及 创建的过程(封装在newChannel函数中)统统先封装在工厂类ReflectiveChannelFactory中。

ReflectiveChannelFactory通过泛型反射工厂的方式灵活创建不同类型的channel

等待创建时机来临,我们调用保存在ServerBootstrap中的channelFactory直接进行创建。

public class ReflectiveChannelFactory<T extends Channel> implements ChannelFactory<T> {

    private final Constructor<? extends T> constructor;

    @Override
    public T newChannel() {
        try {
            return constructor.newInstance();
        } catch (Throwable t) {
            throw new ChannelException("Unable to create Channel from class " + constructor.getDeclaringClass(), t);
        }
    }
}

下面我们来看下NioServerSocketChannel的构建过程:

1.1.1 NioServerSocketChannel

public class NioServerSocketChannel extends AbstractNioMessageChannel
                             implements io.netty.channel.socket.ServerSocketChannel {

    //SelectorProvider(用于创建Selector和Selectable Channels)
    private static final SelectorProvider DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER = SelectorProvider.provider();

    public NioServerSocketChannel() {
        this(newSocket(DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER));
    }

    //创建JDK NIO ServerSocketChannel
    private static ServerSocketChannel newSocket(SelectorProvider provider) {
        try {
            return provider.openServerSocketChannel();
        } catch (IOException e) {
            throw new ChannelException(
                    "Failed to open a server socket.", e);
        }
    }

     //ServerSocketChannel相关的配置
    private final ServerSocketChannelConfig config;

    public NioServerSocketChannel(ServerSocketChannel channel) {
        //父类AbstractNioChannel中保存JDK NIO原生ServerSocketChannel以及要监听的事件OP_ACCEPT
        super(null, channel, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        //DefaultChannelConfig中设置用于Channel接收数据用的buffer->AdaptiveRecvByteBufAllocator
        config = new NioServerSocketChannelConfig(this, javaChannel().socket());
    }

}
  • 首先调用newSocket 创建JDK NIO 原生ServerSocketChannel,这里调用了SelectorProvider#openServerSocketChannel 来创建JDK NIO 原生ServerSocketChannel,我们在上篇文章《聊聊Netty那些事儿之Reactor在Netty中的实现(创建篇)》中详细的介绍了SelectorProvider相关内容,当时是用SelectorProvider来创建Reactor中的Selector。大家还记得吗??

  • 通过父类构造器设置NioServerSocketChannel感兴趣的IO事件,这里设置的是SelectionKey.OP_ACCEPT事件。并将JDK NIO 原生ServerSocketChannel封装起来。

  • 创建Channel的配置类NioServerSocketChannelConfig,在配置类中封装了对Channel底层的一些配置行为,以及JDK中的ServerSocket。以及创建NioServerSocketChannel接收数据用的Buffer分配器AdaptiveRecvByteBufAllocator

NioServerSocketChannelConfig没什么重要的东西,我们这里也不必深究,它就是管理NioServerSocketChannel相关的配置,这里唯一需要大家注意的是这个用于Channel接收数据用的Buffer分配器AdaptiveRecvByteBufAllocator,我们后面在介绍Netty如何接收连接的时候还会提到。

NioServerSocketChannel 的整体构建过程介绍完了,现在我们来按照继承层次再回过头来看下NioServerSocketChannel 的层次构建,来看下每一层都创建了什么,封装了什么,这些信息都是Channel的核心信息,所以有必要了解一下。

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NioServerSocketChannel 的创建过程中,我们主要关注继承结构图中红框标注的三个类,其他的我们占时先不用管。

其中AbstractNioMessageChannel类主要是对NioServerSocketChannel底层读写行为的封装和定义,比如accept接收客户端连接。这个我们后续会介绍到,这里我们并不展开。

1.1.2 AbstractNioChannel

public abstract class AbstractNioChannel extends AbstractChannel {
   //JDK NIO原生Selectable Channel
    private final SelectableChannel ch;
    // Channel监听事件集合 这里是SelectionKey.OP_ACCEPT事件
    protected final int readInterestOp;

    protected AbstractNioChannel(Channel parent, SelectableChannel ch, int readInterestOp) {
        super(parent);
        this.ch = ch;
        this.readInterestOp = readInterestOp;
        try {
            //设置Channel为非阻塞 配合IO多路复用模型
            ch.configureBlocking(false);
        } catch (IOException e) {
            .............省略................
        }
    }
}
  • 封装由SelectorProvider创建出来的JDK NIO原生ServerSocketChannel

  • 封装Channel在创建时指定感兴趣的IO事件,对于NioServerSocketChannel来说感兴趣的IO事件OP_ACCEPT事件

  • 设置JDK NIO原生ServerSocketChannel为非阻塞模式, 配合IO多路复用模型。

1.1.3 AbstractChannel

public abstract class AbstractChannel extends DefaultAttributeMap implements Channel {

    //channel是由创建层次的,比如ServerSocketChannel 是 SocketChannel的 parent
    private final Channel parent;
    //channel全局唯一ID machineId+processId+sequence+timestamp+random
    private final ChannelId id;
    //unsafe用于封装对底层socket的相关操作
    private final Unsafe unsafe;
    //为channel分配独立的pipeline用于IO事件编排
    private final DefaultChannelPipeline pipeline;

    protected AbstractChannel(Channel parent) {
        this.parent = parent;
        //channel全局唯一ID machineId+processId+sequence+timestamp+random
        id = newId();
        //unsafe用于定义实现对Channel的底层操作
        unsafe = newUnsafe();
        //为channel分配独立的pipeline用于IO事件编排
        pipeline = newChannelPipeline();
    }
}
  • Netty中的Channel创建是有层次的,这里的parent属性用来保存上一级的Channel,比如这里的NioServerSocketChannel是顶级Channel,所以它的parent = null。客户端NioSocketChannel是由NioServerSocketChannel创建的,所以它的parent = NioServerSocketChannel

  • Channel分配全局唯一的ChannelIdChannelId由机器Id(machineId),进程Id(processId),序列号(sequence),时间戳(timestamp),随机数(random)构成

   private DefaultChannelId() {
        data = new byte[MACHINE_ID.length + PROCESS_ID_LEN + SEQUENCE_LEN + TIMESTAMP_LEN + RANDOM_LEN];
        int i = 0;

        // machineId
        System.arraycopy(MACHINE_ID, 0, data, i, MACHINE_ID.length);
        i += MACHINE_ID.length;

        // processId
        i = writeInt(i, PROCESS_ID);

        // sequence
        i = writeInt(i, nextSequence.getAndIncrement());

        // timestamp (kind of)
        i = writeLong(i, Long.reverse(System.nanoTime()) ^ System.currentTimeMillis());

        // random
        int random = PlatformDependent.threadLocalRandom().nextInt();
        i = writeInt(i, random);
        assert i == data.length;

        hashCode = Arrays.hashCode(data);
    }
  • 创建NioServerSocketChannel的底层操作类Unsafe 。这里创建的是io.netty.channel.nio.AbstractNioMessageChannel.NioMessageUnsafe

UnsafeChannel接口的一个内部接口,用于定义实现对Channel底层的各种操作,Unsafe接口定义的操作行为只能由Netty框架的Reactor线程调用,用户线程禁止调用。

interface Unsafe {
        
        //分配接收数据用的Buffer
        RecvByteBufAllocator.Handle recvBufAllocHandle();

        //服务端绑定的端口地址
        SocketAddress localAddress();
        //远端地址
        SocketAddress remoteAddress();
        //channel向Reactor注册
        void register(EventLoop eventLoop, ChannelPromise promise);

        //服务端绑定端口地址
        void bind(SocketAddress localAddress, ChannelPromise promise);
        //客户端连接服务端
        void connect(SocketAddress remoteAddress, SocketAddress localAddress, ChannelPromise promise);
        //关闭channle
        void close(ChannelPromise promise);
        //读数据
        void beginRead();
        //写数据
        void write(Object msg, ChannelPromise promise);

    }
  • NioServerSocketChannel分配独立的pipeline用于IO事件编排。pipeline其实是一个ChannelHandlerContext类型的双向链表。头结点HeadContext,尾结点TailContextChannelHandlerContext中包装着ChannelHandler

ChannelHandlerContext 保存 ChannelHandler上下文信息,用于事件传播。后面笔者会单独开一篇文章介绍,这里我们还是聚焦于启动主线。

这里只是为了让大家简单理解pipeline的一个大致的结构,后面会写一篇文章专门详细讲解pipeline

    protected DefaultChannelPipeline(Channel channel) {
        this.channel = ObjectUtil.checkNotNull(channel, "channel");
        succeededFuture = new SucceededChannelFuture(channel, null);
        voidPromise =  new VoidChannelPromise(channel, true);

        tail = new TailContext(this);
        head = new HeadContext(this);

        head.next = tail;
        tail.prev = head;
    }

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到了这里NioServerSocketChannel就创建完毕了,我们来回顾下它到底包含了哪些核心信息。

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1.2 初始化NioServerSocketChannel

   void init(Channel channel) {
        //向NioServerSocketChannelConfig设置ServerSocketChannelOption
        setChannelOptions(channel, newOptionsArray(), logger);
        //向netty自定义的NioServerSocketChannel设置attributes
        setAttributes(channel, attrs0().entrySet().toArray(EMPTY_ATTRIBUTE_ARRAY));

        ChannelPipeline p = channel.pipeline();
        
        //获取从Reactor线程组
        final EventLoopGroup currentChildGroup = childGroup;
        //获取用于初始化客户端NioSocketChannel的ChannelInitializer
        final ChannelHandler currentChildHandler = childHandler;
        //获取用户配置的客户端SocketChannel的channelOption以及attributes
        final Entry<ChannelOption<?>, Object>[] currentChildOptions;
        synchronized (childOptions) {
            currentChildOptions = childOptions.entrySet().toArray(EMPTY_OPTION_ARRAY);
        }
        final Entry<AttributeKey<?>, Object>[] currentChildAttrs = childAttrs.entrySet().toArray(EMPTY_ATTRIBUTE_ARRAY);

        //向NioServerSocketChannel中的pipeline添加初始化ChannelHandler的逻辑
        p.addLast(new ChannelInitializer<Channel>() {
            @Override
            public void initChannel(final Channel ch) {
                final ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
                //ServerBootstrap中用户指定的channelHandler
                ChannelHandler handler = config.handler();
                if (handler != null) {
                    //LoggingHandler
                    pipeline.addLast(handler);
                }
                //添加用于接收客户端连接的acceptor
                ch.eventLoop().execute(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        pipeline.addLast(new ServerBootstrapAcceptor(
                                ch, currentChildGroup, currentChildHandler, currentChildOptions, currentChildAttrs));
                    }
                });
            }
        });
    }
  • NioServerSocketChannelConfig设置ServerSocketChannelOption

  • 向netty自定义的NioServerSocketChannel设置ChannelAttributes

Netty自定义的SocketChannel类型均继承AttributeMap接口以及DefaultAttributeMap类,正是它们定义了ChannelAttributes。用于向Channel添加用户自定义的一些信息。

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这个ChannelAttributes的用处大有可为,Netty后边的许多特性都是依靠这个ChannelAttributes来实现的。这里先卖个关子,大家可以自己先想一下可以用这个ChannelAttributes做哪些事情?

  • 获取从Reactor线程组childGroup,以及用于初始化客户端NioSocketChannelChannelInitializer,ChannelOption,ChannelAttributes,这些信息均是由用户在启动的时候向ServerBootstrap添加的客户端NioServerChannel配置信息。这里用这些信息来初始化ServerBootstrapAcceptor。因为后续会在ServerBootstrapAcceptor中接收客户端连接以及创建NioServerChannel

  • NioServerSocketChannel中的pipeline添加用于初始化pipelineChannelInitializer

问题来了,这里为什么不干脆直接将ChannelHandler添加到pipeline中,而是又使用到了ChannelInitializer呢?

其实原因有两点:

  • 为了保证线程安全地初始化pipeline,所以初始化的动作需要由Reactor线程进行,而当前线程是用户程序启动Main线程不是Reactor线程。这里不能立即初始化。

  • 初始化Channelpipeline的动作,需要等到Channel注册到对应的Reactor中才可以进行初始化,当前只是创建好了NioServerSocketChannel,但并未注册到Main Reactor上。

初始化NioServerSocketChannelpipeline的时机是:当NioServerSocketChannel注册到Main Reactor之后,绑定端口地址之前。

前边在介绍ServerBootstrap配置childHandler时也用到了ChannelInitializer,还记得吗??

问题又来了,大家注意下ChannelInitializer#initChannel方法,在该初始化回调方法中,添加LoggingHandler是直接向pipeline中添加,而添加Acceptor为什么不是直接添加而是封装成异步任务呢?

这里先给大家卖个关子,笔者会在后续流程中为大家解答~~~~~

image.png

此时NioServerSocketChannel中的pipeline结构如下图所示:

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1.3 向Main Reactor注册NioServerSocketChannel

ServerBootstrap获取主Reactor线程组NioEventLoopGroup,将NioServerSocketChannel注册到NioEventLoopGroup中。

ChannelFuture regFuture = config().group().register(channel);

下面我们来看下具体的注册过程:

1.3.1 主Reactor线程组中选取一个Main Reactor进行注册

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    @Override
    public ChannelFuture register(Channel channel) {
        return next().register(channel);
    }

    @Override
    public EventExecutor next() {
        return chooser.next();
    }

    //获取绑定策略
    @Override
    public EventExecutorChooser newChooser(EventExecutor[] executors) {
        if (isPowerOfTwo(executors.length)) {
            return new PowerOfTwoEventExecutorChooser(executors);
        } else {
            return new GenericEventExecutorChooser(executors);
        }
    }
    
    //采用轮询round-robin的方式选择Reactor
    @Override
    public EventExecutor next() {
            return executors[(int) Math.abs(idx.getAndIncrement() % executors.length)];
    }

Netty通过next()方法根据上篇文章《聊聊Netty那些事儿之Reactor在Netty中的实现(创建篇)》提到的channel到reactor的绑定策略,从ReactorGroup中选取一个Reactor进行注册绑定。之后Channel生命周期内的所有 IO 事件都由这个 Reactor 负责处理,如 accept、connect、read、write 等 IO 事件。

一个channel只能绑定到一个Reactor上,一个Reactor负责监听多个channel

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由于这里是NioServerSocketChannleMain Reactor进行注册绑定,所以Main Reactor主要负责处理的IO事件OP_ACCEPT事件。

1.3.2 向绑定后的Main Reactor进行注册

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Reactor进行注册的行为定义在NioEventLoop的父类SingleThreadEventLoop中,印象模糊的同学可以在回看下上篇文章中的NioEventLoop继承结构小节内容。

public abstract class SingleThreadEventLoop extends SingleThreadEventExecutor implements EventLoop {

    @Override
    public ChannelFuture register(Channel channel) {
        //注册channel到绑定的Reactor上
        return register(new DefaultChannelPromise(channel, this));
    }

    @Override
    public ChannelFuture register(final ChannelPromise promise) {
        ObjectUtil.checkNotNull(promise, "promise");
        //unsafe负责channel底层的各种操作
        promise.channel().unsafe().register(this, promise);
        return promise;
    }
}

通过NioServerSocketChannel中的Unsafe类执行底层具体的注册动作。

protected abstract class AbstractUnsafe implements Unsafe {

        /**
         * 注册Channel到绑定的Reactor上
         * */
        @Override
        public final void register(EventLoop eventLoop, final ChannelPromise promise) {
            ObjectUtil.checkNotNull(eventLoop, "eventLoop");
            if (isRegistered()) {
                promise.setFailure(new IllegalStateException("registered to an event loop already"));
                return;
            }
            //EventLoop的类型要与Channel的类型一样  Nio Oio Aio
            if (!isCompatible(eventLoop)) {
                promise.setFailure(
                        new IllegalStateException("incompatible event loop type: " + eventLoop.getClass().getName()));
                return;
            }

            //在channel上设置绑定的Reactor
            AbstractChannel.this.eventLoop = eventLoop;

            /**
             * 执行channel注册的操作必须是Reactor线程来完成
             *
             * 1: 如果当前执行线程是Reactor线程,则直接执行register0进行注册
             * 2:如果当前执行线程是外部线程,则需要将register0注册操作 封装程异步Task 由Reactor线程执行
             * */
            if (eventLoop.inEventLoop()) {
                register0(promise);
            } else {
                try {
                    eventLoop.execute(new Runnable() {
                        @Override
                        public void run() {
                            register0(promise);
                        }
                    });
                } catch (Throwable t) {
                   ...............省略...............
                }
            }
        }
}
  • 首先检查NioServerSocketChannel是否已经完成注册。如果以完成注册,则直接设置代表注册操作结果的ChannelPromisefail状态

  • 通过isCompatible方法验证Reactor模型EventLoop是否与Channel的类型匹配。NioEventLoop对应于NioServerSocketChannel

上篇文章我们介绍过 Netty对三种IO模型Oio,Nio,Aio的支持,用户可以通过改变Netty核心类的前缀轻松切换IO模型isCompatible方法目的就是需要保证ReactorChannel使用的是同一种IO模型

  • Channel中保存其绑定的Reactor实例

  • 执行ChannelReactor注册的动作必须要确保是在Reactor线程中执行。

    • 如果当前线程是Reactor线程则直接执行注册动作register0
    • 如果当前线程不是Reactor线程,则需要将注册动作register0封装成异步任务,存放在Reactor中的taskQueue中,等待Reactor线程执行。

当前执行线程并不是Reactor线程,而是用户程序的启动线程Main线程

1.3.3 Reactor线程的启动

上篇文章中我们在介绍NioEventLoopGroup的创建过程中提到了一个构造器参数executor,它用于启动Reactor线程,类型为ThreadPerTaskExecutor

当时笔者向大家卖了一个关子~~“Reactor线程是何时启动的?”

image.png

那么现在就到了为大家揭晓谜底的时候了~~

Reactor线程的启动是在向Reactor提交第一个异步任务的时候启动的。

Netty中的主Reactor线程组NioEventLoopGroup中的Main ReactorNioEventLoop是在用户程序Main线程Main Reactor提交用于注册NioServerSocketChannel的异步任务时开始启动。

   eventLoop.execute(new Runnable() {
                        @Override
                        public void run() {
                            register0(promise);
                        }
                    });

接下来我们关注下NioEventLoopexecute方法

public abstract class SingleThreadEventExecutor extends AbstractScheduledEventExecutor implements OrderedEventExecutor {

    @Override
    public void execute(Runnable task) {
        ObjectUtil.checkNotNull(task, "task");
        execute(task, !(task instanceof LazyRunnable) && wakesUpForTask(task));
    }

    private void execute(Runnable task, boolean immediate) {
        //当前线程是否为Reactor线程
        boolean inEventLoop = inEventLoop();
        //addTaskWakesUp = true  addTask唤醒Reactor线程执行任务
        addTask(task);
        if (!inEventLoop) {
            //如果当前线程不是Reactor线程,则启动Reactor线程
            //这里可以看出Reactor线程的启动是通过 向NioEventLoop添加异步任务时启动的
            startThread();

            .....................省略.....................
        }
        .....................省略.....................
    }

}
  • 首先将异步任务task添加到Reactor中的taskQueue中。

  • 判断当前线程是否为Reactor线程,此时当前执行线程为用户程序启动线程,所以这里调用startThread 启动Reactor线程

1.3.4 startThread

public abstract class SingleThreadEventExecutor extends AbstractScheduledEventExecutor implements OrderedEventExecutor {
    //定义Reactor线程状态
    private static final int ST_NOT_STARTED = 1;
    private static final int ST_STARTED = 2;
    private static final int ST_SHUTTING_DOWN = 3;
    private static final int ST_SHUTDOWN = 4;
    private static final int ST_TERMINATED = 5;

     //Reactor线程状态  初始为 未启动状态
    private volatile int state = ST_NOT_STARTED;

    //Reactor线程状态字段state 原子更新器
    private static final AtomicIntegerFieldUpdater<SingleThreadEventExecutor> STATE_UPDATER =
    AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(SingleThreadEventExecutor.class, "state");

    private void startThread() {
        if (state == ST_NOT_STARTED) {
            if (STATE_UPDATER.compareAndSet(this, ST_NOT_STARTED, ST_STARTED)) {
                boolean success = false;
                try {
                    doStartThread();
                    success = true;
                } finally {
                    if (!success) {
                        STATE_UPDATER.compareAndSet(this, ST_STARTED, ST_NOT_STARTED);
                    }
                }
            }
        }
    }

}
  • Reactor线程初始化状态为ST_NOT_STARTED ,首先CAS更新状态为ST_STARTED

  • doStartThread 启动Reactor线程

  • 启动失败的话,需要将Reactor线程状态改回ST_NOT_STARTED

    //ThreadPerTaskExecutor 用于启动Reactor线程
    private final Executor executor;

    private void doStartThread() {
        assert thread == null;
        executor.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                thread = Thread.currentThread();
                if (interrupted) {
                    thread.interrupt();
                }

                boolean success = false;
                updateLastExecutionTime();
                try {
                    //Reactor线程开始启动
                    SingleThreadEventExecutor.this.run();
                    success = true;
                }
              
                ................省略..............
        }

这里就来到了ThreadPerTaskExecutor 类型的executor的用武之地了。

  • Reactor线程的核心工作之前介绍过:轮询所有注册其上的Channel中的IO就绪事件处理对应Channel上的IO事件执行异步任务。Netty将这些核心工作封装在io.netty.channel.nio.NioEventLoop#run方法中。

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  • NioEventLoop#run封装在异步任务中,提交给executor执行,Reactor线程至此开始工作了就。
public final class ThreadPerTaskExecutor implements Executor {
    private final ThreadFactory threadFactory;

    @Override
    public void execute(Runnable command) {
        //启动Reactor线程
        threadFactory.newThread(command).start();
    }
}

此时Reactor线程已经启动,后面的工作全部都由这个Reactor线程来负责执行了。

而用户启动线程在向Reactor提交完NioServerSocketChannel的注册任务register0后,就逐步退出调用堆栈,回退到最开始的启动入口处ChannelFuture f = b.bind(PORT).sync()

此时Reactor中的任务队列中只有一个任务register0Reactor线程启动后,会从任务队列中取出任务执行。

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至此NioServerSocketChannel的注册工作正式拉开帷幕~~

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1.3.5 register0

       //true if the channel has never been registered, false otherwise 
        private boolean neverRegistered = true;

        private void register0(ChannelPromise promise) {
            try {
                //查看注册操作是否已经取消,或者对应channel已经关闭
                if (!promise.setUncancellable() || !ensureOpen(promise)) {
                    return;
                }
                boolean firstRegistration = neverRegistered;
                //执行真正的注册操作
                doRegister();
                //修改注册状态
                neverRegistered = false;
                registered = true;
                //回调pipeline中添加的ChannelInitializer的handlerAdded方法,在这里初始化channelPipeline
                pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded();
                //设置regFuture为success,触发operationComplete回调,将bind操作放入Reactor的任务队列中,等待Reactor线程执行。
                safeSetSuccess(promise);
                //触发channelRegister事件
                pipeline.fireChannelRegistered();
                //对于服务端ServerSocketChannel来说 只有绑定端口地址成功后 channel的状态才是active的。
                //此时绑定操作作为异步任务在Reactor的任务队列中,绑定操作还没开始,所以这里的isActive()是false
                if (isActive()) {
                    if (firstRegistration) {
                        //触发channelActive事件
                        pipeline.fireChannelActive();
                    } else if (config().isAutoRead()) {
                        beginRead();
                    }
                }
            } catch (Throwable t) {
                 ............省略.............
            }
        }

register0是驱动整个Channel注册绑定流程的关键方法,下面我们来看下它的核心逻辑:

  • 首先需要检查Channel的注册动作是否在Reactor线程外被取消了已经!promise.setUncancellable()。检查要注册的Channel是否已经关闭!ensureOpen(promise)。如果Channel已经关闭或者注册操作已经被取消,那么就直接返回,停止注册流程。

  • 调用doRegister()方法,执行真正的注册操作。最终实现在AbstractChannel的子类AbstractNioChannel中,这个我们一会在介绍,先关注整体流程。

public abstract class AbstractChannel extends DefaultAttributeMap implements Channel {

   /**
     * Is called after the {@link Channel} is registered with its {@link EventLoop} as part of the register process.
     *
     * Sub-classes may override this method
     */
    protected void doRegister() throws Exception {
        // NOOP
    }

}
  • ChannelReactor注册完毕后,调用pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded()方法,触发回调pipeline中添加的ChannelInitializer的handlerAdded方法,在handlerAdded方法中利用前面提到的ChannelInitializer初始化ChannelPipeline

image

初始化ChannelPipeline的时机是当Channel向对应的Reactor注册成功后,在handlerAdded事件回调中利用ChannelInitializer进行初始化。

  • 设置regFutureSuccess,并回调注册在regFuture上的ChannelFutureListener#operationComplete方法,在operationComplete回调方法中将绑定操作封装成异步任务,提交到ReactortaskQueue中。等待Reactor的执行。

还记得这个regFuture在哪里出现的吗?它是在哪里被创建,又是在哪里添加的ChannelFutureListener呢? 大家还有印象吗?回忆不起来也没关系,笔者后面还会提到

  • 通过pipeline.fireChannelRegistered()pipeline中触发channelRegister事件

pipelinechannelHandlerchannelRegistered方法被回调。

  • 对于Netty服务端NioServerSocketChannel来说, 只有绑定端口地址成功后 channel的状态才是active的。此时绑定操作regFuture上注册的ChannelFutureListener#operationComplete回调方法中被作为异步任务提交到了Reactor的任务队列中,Reactor线程没开始执行绑定任务。所以这里的isActive()false

Reactor线程执行完register0方法后,才会去执行绑定任务

下面我们来看下register0方法中这些核心步骤的具体实现:

1.3.6 doRegister()

public abstract class AbstractNioChannel extends AbstractChannel {

    //channel注册到Selector后获得的SelectKey
    volatile SelectionKey selectionKey;

    @Override
    protected void doRegister() throws Exception {
        boolean selected = false;
        for (;;) {
            try {
                selectionKey = javaChannel().register(eventLoop().unwrappedSelector(), 0, this);
                return;
            } catch (CancelledKeyException e) {
                ...............省略....................
            }
        }
    }

}

调用底层JDK NIO Channel方法java.nio.channels.SelectableChannel#register(java.nio.channels.Selector, int, java.lang.Object),将NettyNioServerSocketChannel中包装的JDK NIO ServerSocketChannel注册到Reactor中的JDK NIO Selector上。

简单介绍下SelectableChannel#register方法参数的含义:

  • Selector:表示JDK NIO Channel将要向哪个Selector进行注册。

  • int ops: 表示Channel上感兴趣的IO事件,当对应的IO事件就绪时,Selector会返回Channel对应的SelectionKey

SelectionKey可以理解为ChannelSelector上的特殊表示形式, SelectionKey中封装了Channel感兴趣的IO事件集合~~~interestOps,以及IO就绪的事件集合~~readyOps, 同时也封装了对应的JDK NIO Channel以及注册的Selector。最后还有一个重要的属性attachment,可以允许我们在SelectionKey上附加一些自定义的对象。

  • Object attachment:SelectionKey中添加用户自定义的附加对象。

这里NioServerSocketChannelReactor中的Selector注册的IO事件0,这个操作的主要目的是先获取到ChannelSelector中对应的SelectionKey,完成注册。当绑定操作完成后,在去向SelectionKey添加感兴趣的IO事件~~~OP_ACCEPT事件

同时通过SelectableChannel#register方法将Netty自定义的NioServerSocketChannel(这里的this指针)附着在SelectionKeyattechment属性上,完成Netty自定义Channel与JDK NIO Channel的关系绑定。这样在每次对Selector 进行IO就绪事件轮询时,Netty 都可以从 JDK NIO Selector返回的SelectionKey中获取到自定义的Channel对象(这里指的就是NioServerSocketChannel)。

1.3.7 HandlerAdded事件回调中初始化ChannelPipeline

NioServerSocketChannel注册到Main Reactor上的Selector后,Netty通过调用pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded()开始回调NioServerSocketChannelpipeline里的ChannelHandler的handlerAdded方法

此时NioServerSocketChannelpipeline结构如下:

image

此时pipeline中只有在初始化NioServerSocketChannel时添加的ChannelInitializer

我们来看下ChannelInitializerhandlerAdded回调方法具体作了哪些事情~~

public abstract class ChannelInitializer<C extends Channel> extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    @Override
    public void handlerAdded(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        if (ctx.channel().isRegistered()) {
            if (initChannel(ctx)) {
                //初始化工作完成后,需要将自身从pipeline中移除
                removeState(ctx);
            }
        }
    }

    //ChannelInitializer实例是被所有的Channel共享的,用于初始化ChannelPipeline
    //通过Set集合保存已经初始化的ChannelPipeline,避免重复初始化同一ChannelPipeline
    private final Set<ChannelHandlerContext> initMap = Collections.newSetFromMap(
            new ConcurrentHashMap<ChannelHandlerContext, Boolean>());

    private boolean initChannel(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        if (initMap.add(ctx)) { // Guard against re-entrance.
            try {
                initChannel((C) ctx.channel());
            } catch (Throwable cause) {
                exceptionCaught(ctx, cause);
            } finally {
                ChannelPipeline pipeline = ctx.pipeline();
                if (pipeline.context(this) != null) {
                     //初始化完毕后,从pipeline中移除自身
                    pipeline.remove(this);
                }
            }
            return true;
        }
        return false;
    }

    //匿名类实现,这里指定具体的初始化逻辑
    protected abstract void initChannel(C ch) throws Exception;

    private void removeState(final ChannelHandlerContext ctx) {
        //从initMap防重Set集合中删除ChannelInitializer
        if (ctx.isRemoved()) {
            initMap.remove(ctx);
        } else {
            ctx.executor().execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    initMap.remove(ctx);
                }
            });
        }
    }
}

ChannelInitializer 中的初始化逻辑比较简单明了:

  • 首先要判断必须是当前Channel已经完成注册后,才可以进行pipeline的初始化。ctx.channel().isRegistered()

  • 调用ChannelInitializer 的匿名类指定的initChannel 执行自定义的初始化逻辑。

        p.addLast(new ChannelInitializer<Channel>() {
            @Override
            public void initChannel(final Channel ch) {
                final ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
                //ServerBootstrap中用户指定的channelHandler
                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));
                    }
                });
            }
        });

还记得在初始化NioServerSocketChannel时。io.netty.bootstrap.ServerBootstrap#init方法中向pipeline中添加的ChannelInitializer吗?

  • 当执行完initChannel 方法后,ChannelPipeline的初始化就结束了,此时ChannelInitializer 就没必要再继续呆在pipeline中了,所需要将ChannelInitializer pipeline中删除。pipeline.remove(this)

当初始化完pipeline时,此时pipeline的结构再次发生了变化:

image

此时Main Reactor中的任务队列taskQueue结构变化为:

image

添加ServerBootstrapAcceptor的任务是在初始化NioServerSocketChannel的时候向main reactor提交过去的。还记得吗?

1.3.8 回调regFuture的ChannelFutureListener

在本小节《Netty服务端的启动》的最开始,我们介绍了服务端启动的入口函数io.netty.bootstrap.AbstractBootstrap#doBind,在函数的最开头调用了initAndRegister()方法用来创建并初始化NioServerSocketChannel,之后便会将NioServerSocketChannel注册到Main Reactor中。

注册的操作是一个异步的过程,所以在initAndRegister()方法调用后返回一个代表注册结果的ChannelFuture regFuture

public abstract class AbstractBootstrap<B extends AbstractBootstrap<B, C>, C extends Channel> implements Cloneable {

    private ChannelFuture doBind(final SocketAddress localAddress) {
        //异步创建,初始化,注册ServerSocketChannel
        final ChannelFuture regFuture = initAndRegister();
        final Channel channel = regFuture.channel();
        if (regFuture.cause() != null) {
            return regFuture;
        }

        if (regFuture.isDone()) {
            //如果注册完成,则进行绑定操作
            ChannelPromise promise = channel.newPromise();
            doBind0(regFuture, channel, localAddress, promise);
            return promise;
        } else {
            final PendingRegistrationPromise promise = new PendingRegistrationPromise(channel);
            //添加注册完成 回调函数
            regFuture.addListener(new ChannelFutureListener() {
                @Override
                public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {

                         ...............省略...............
                          // 注册完成后,Reactor线程回调这里
                        doBind0(regFuture, channel, localAddress, promise);
                    }
                }
            });
            return promise;
        }
    }
}

之后会向ChannelFuture regFuture添加一个注册完成后的回调函数~~~~ ChannelFutureListener 。在回调函数operationComplete 中开始发起绑端口地址流程

image

那么这个回调函数在什么时候?什么地方发起的呢??

让我们在回到本小节的主题register0 方法的流程中:

当调用doRegister()方法完成NioServerSocketChannelMain Reactor的注册后,紧接着会调用pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded()方法中触发ChannelInitializer#handlerAdded回调中对pipeline进行初始化。

最后在safeSetSuccess方法中,开始回调注册在regFuture 上的ChannelFutureListener

   protected final void safeSetSuccess(ChannelPromise promise) {
        if (!(promise instanceof VoidChannelPromise) && !promise.trySuccess()) {
           logger.warn("Failed to mark a promise as success because it is done already: {}", promise);
        }
   }

   @Override
    public boolean trySuccess() {
        return trySuccess(null);
    }

    @Override
    public boolean trySuccess(V result) {
        return setSuccess0(result);
    }

   private boolean setSuccess0(V result) {
        return setValue0(result == null ? SUCCESS : result);
    }

    private boolean setValue0(Object objResult) {
        if (RESULT_UPDATER.compareAndSet(this, null, objResult) ||
            RESULT_UPDATER.compareAndSet(this, UNCANCELLABLE, objResult)) {
            if (checkNotifyWaiters()) {
                //回调注册在promise上的listeners
                notifyListeners();
            }
            return true;
        }
        return false;
    }

safeSetSuccess 的逻辑比较简单,首先设置regFuture结果为success,并且回调注册在regFuture上的ChannelFutureListener

需要提醒的是,执行safeSetSuccess 方法,以及后边回调regFuture上的ChannelFutureListener 这些动作都是由Reactor线程执行的。

关于Netty中的Promise模型后边我会在写一篇专门的文章进行分析,这里大家只需清楚大体的流程即可。不必在意过多的细节。

下面我们把视角切换到regFuture上的ChannelFutureListener 回调中,看看在Channel注册完成后,Netty又会做哪些事情?

2. doBind0

public abstract class AbstractBootstrap<B extends AbstractBootstrap<B, C>, C extends Channel> implements Cloneable {

    private static void doBind0(
            final ChannelFuture regFuture, final Channel channel,
            final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise) {

        channel.eventLoop().execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                if (regFuture.isSuccess()) {
                    channel.bind(localAddress, promise).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE_ON_FAILURE);
                } else {
                    promise.setFailure(regFuture.cause());
                }
            }
        });
    }

}

这里Netty又将绑定端口地址的操作封装成异步任务,提交给Reactor执行。

但是这里有一个问题,其实此时执行doBind0方法的线程正是Reactor线程,那为什么不直接在这里去执行bind操作,而是再次封装成异步任务提交给Reactor中的taskQueue呢?

反正最终都是由Reactor线程执行,这其中又有什么分别呢?

经过上小节的介绍我们知道,bind0方法的调用是由io.netty.channel.AbstractChannel.AbstractUnsafe#register0方法在将NioServerSocketChannel注册到Main Reactor之后,并且NioServerSocketChannelpipeline已经初始化完毕后,通过safeSetSuccess 方法回调过来的。

这个过程全程是由Reactor线程来负责执行的,但是此时register0方法并没有执行完毕,还需要执行后面的逻辑。

而绑定逻辑需要在注册逻辑执行完之后执行,所以在doBind0方法中Reactor线程会将绑定操作封装成异步任务先提交给taskQueue中保存,这样可以使Reactor线程立马从safeSetSuccess 中返回,继续执行剩下的register0方法逻辑。

        private void register0(ChannelPromise promise) {
            try {
                ................省略............

                doRegister();
                pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded();
                safeSetSuccess(promise);
                //触发channelRegister事件
                pipeline.fireChannelRegistered();

                if (isActive()) {
                     ................省略............
                }
            } catch (Throwable t) {
                  ................省略............
            }
        }

Reactor线程执行完register0方法后,就会从taskQueue中取出异步任务执行。

此时Reactor线程中的taskQueue结构如下:

image

  • Reactor线程会先取出位于taskQueue队首的任务执行,这里是指向NioServerSocketChannelpipeline中添加ServerBootstrapAcceptor的异步任务。

此时NioServerSocketChannelpipeline的结构如下:

image

  • Reactor线程执行绑定任务。

3. 绑定端口地址

Channel的操作行为全部定义在ChannelOutboundInvoker接口中

image

public interface ChannelOutboundInvoker {

    /**
     * Request to bind to the given {@link SocketAddress} and notify the {@link ChannelFuture} once the operation
     * completes, either because the operation was successful or because of an error.
     *
     */
    ChannelFuture bind(SocketAddress localAddress, ChannelPromise promise);
}

bind方法由子类AbstractChannel实现。

public abstract class AbstractChannel extends DefaultAttributeMap implements Channel {

   @Override
    public ChannelFuture bind(SocketAddress localAddress, ChannelPromise promise) {
        return pipeline.bind(localAddress, promise);
    }

}

调用pipeline.bind(localAddress, promise)pipeline中传播bind事件,触发回调pipeline中所有ChannelHandlerbind方法

事件在pipeline中的传播具有方向性:

  • inbound事件HeadContext开始逐个向后传播直到TailContext
  • outbound事件则是反向传播,从TailContext开始反向向前传播直到HeadContext

inbound事件只能被pipeline中的ChannelInboundHandler响应处理
outbound事件只能被pipeline中的ChannelOutboundHandler响应处理

image

然而这里的bind事件在Netty中被定义为outbound事件,所以它在pipeline中是反向传播。先从TailContext开始反向传播直到HeadContext

然而bind的核心逻辑也正是实现在HeadContext中。

3.1 HeadContext

  final class HeadContext extends AbstractChannelHandlerContext
            implements ChannelOutboundHandler, ChannelInboundHandler {

     @Override
        public void bind(
                ChannelHandlerContext ctx, SocketAddress localAddress, ChannelPromise promise) {
            //触发AbstractChannel->bind方法 执行JDK NIO SelectableChannel 执行底层绑定操作
            unsafe.bind(localAddress, promise);
        }

}

HeadContext#bind回调方法中,调用Channel里的unsafe操作类执行真正的绑定操作。

protected abstract class AbstractUnsafe implements Unsafe {

      @Override
        public final void bind(final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise) {
            .................省略................

            //这时channel还未激活  wasActive = false
            boolean wasActive = isActive();
            try {
                //io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel.doBind
                //调用具体channel实现类
                doBind(localAddress);
            } catch (Throwable t) {
                .................省略................
                return;
            }

            //绑定成功后 channel激活 触发channelActive事件传播
            if (!wasActive && isActive()) {
                invokeLater(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        //pipeline中触发channelActive事件
                        pipeline.fireChannelActive();
                    }
                });
            }
            //回调注册在promise上的ChannelFutureListener
            safeSetSuccess(promise);
        }

        protected abstract void doBind(SocketAddress localAddress) throws Exception;
}
  • 首先执行子类NioServerSocketChannel具体实现的doBind方法,通过JDK NIO 原生 ServerSocketChannel执行底层的绑定操作。
    @Override
    protected void doBind(SocketAddress localAddress) throws Exception {
        //调用JDK NIO 底层SelectableChannel 执行绑定操作
        if (PlatformDependent.javaVersion() >= 7) {
            javaChannel().bind(localAddress, config.getBacklog());
        } else {
            javaChannel().socket().bind(localAddress, config.getBacklog());
        }
    }
  • 判断是否为首次绑定,如果是的话将触发pipeline中的ChannelActive事件封装成异步任务放入Reactor中的taskQueue中。

  • 执行safeSetSuccess(promise),回调注册在promise上的ChannelFutureListener

还是同样的问题,当前执行线程已经是Reactor线程了,那么为何不直接触发pipeline中的ChannelActive事件而是又封装成异步任务呢??

因为如果直接在这里触发ChannelActive事件,那么Reactor线程就会去执行pipeline中的ChannelHandlerchannelActive事件回调

这样的话就影响了safeSetSuccess(promise)的执行,延迟了注册在promise上的ChannelFutureListener的回调。

到现在为止,Netty服务端就已经完成了绑定端口地址的操作,NioServerSocketChannel的状态现在变为Active

最后还有一件重要的事情要做,我们接着来看pipeline中对channelActive事件处理。

3.2 channelActive事件处理

channelActive事件在Netty中定义为inbound事件,所以它在pipeline中的传播为正向传播,从HeadContext一直到TailContext为止。

channelActive事件回调中需要触发向Selector指定需要监听的IO事件~~OP_ACCEPT事件

这块的逻辑主要在HeadContext中实现。

    final class HeadContext extends AbstractChannelHandlerContext
            implements ChannelOutboundHandler, ChannelInboundHandler {

        @Override
        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) {
            //pipeline中继续向后传播channelActive事件
            ctx.fireChannelActive();
            //如果是autoRead 则自动触发read事件传播
            //在read回调函数中 触发OP_ACCEPT注册
            readIfIsAutoRead();
        }

        private void readIfIsAutoRead() {
            if (channel.config().isAutoRead()) {
                //如果是autoRead 则触发read事件传播
                channel.read();
            }
        }

        //AbstractChannel
        public Channel read() {
                //触发read事件
                pipeline.read();
                return this;
        }

       @Override
        public void read(ChannelHandlerContext ctx) {
            //触发注册OP_ACCEPT或者OP_READ事件
            unsafe.beginRead();
        }
   }
  • HeadContext中的channelActive回调中触发pipeline中的read事件
  • read事件再次传播到HeadContext时,触发HeadContext#read方法的回调。在read回调中调用channel底层操作类unsafebeginRead方法向selector注册监听OP_ACCEPT事件

3.3 beginRead

protected abstract class AbstractUnsafe implements Unsafe {

     @Override
        public final void beginRead() {
            assertEventLoop();
            //channel必须是Active
            if (!isActive()) {
                return;
            }

            try {
                // 触发在selector上注册channel感兴趣的监听事件
                doBeginRead();
            } catch (final Exception e) {
               .............省略..............
            }
        }
}

public abstract class AbstractChannel extends DefaultAttributeMap implements Channel {
    //子类负责继承实现
    protected abstract void doBeginRead() throws Exception;

}
  • 断言判断执行该方法的线程必须是Reactor线程

  • 此时NioServerSocketChannel已经完成端口地址的绑定操作,isActive() = true

  • 调用doBeginRead实现向Selector注册监听事件OP_ACCEPT

public abstract class AbstractNioChannel extends AbstractChannel {

    //channel注册到Selector后获得的SelectKey
    volatile SelectionKey selectionKey;
    // Channel监听事件集合
    protected final int readInterestOp;

    @Override
    protected void doBeginRead() throws Exception {
      
        final SelectionKey selectionKey = this.selectionKey;
        if (!selectionKey.isValid()) {
            return;
        }

        readPending = true;

        final int interestOps = selectionKey.interestOps();
        /**
         * 1:ServerSocketChannel 初始化时 readInterestOp设置的是OP_ACCEPT事件
         * */
        if ((interestOps & readInterestOp) == 0) {
            //添加OP_ACCEPT事件到interestOps集合中
            selectionKey.interestOps(interestOps | readInterestOp);
        }
    }
}
  • 前边提到在NioServerSocketChannel在向Main Reactor中的Selector注册后,会获得一个SelectionKey。这里首先要获取这个SelectionKey

  • SelectionKey中获取NioServerSocketChannel感兴趣的IO事件集合 interestOps ,当时在注册的时候interestOps设置为0

  • 将在NioServerSocketChannel初始化时设置的readInterestOp = OP_ACCEPT,设置到SelectionKey中的interestOps 集合中。这样Reactor中的Selector就开始监听interestOps 集合中包含的IO事件了。

Main Reactor中主要监听的是OP_ACCEPT事件

流程走到这里,Netty服务端就真正的启动起来了,下一步就开始等待接收客户端连接了。大家此刻在来回看这副启动流程图,是不是清晰了很多呢?

image

此时Netty的Reactor模型结构如下:

image


总结

本文我们通过图解源码的方式完整地介绍了整个Netty服务端启动流程,并介绍了在启动过程中涉及到的ServerBootstrap 相关的属性以及配置方式。NioServerSocketChannel 的创建初始化过程以及类的继承结构。

其中重点介绍了NioServerSocketChannel Reactor的注册过程以及Reactor线程的启动时机和pipeline的初始化时机。

最后介绍了NioServerSocketChannel绑定端口地址的整个流程。

上述介绍的这些流程全部是异步操作,各种回调绕来绕去的,需要反复回想下,读异步代码就是这样,需要理清各种回调之间的关系,并且时刻提醒自己当前的执行线程是什么?

好了,现在Netty服务端已经启动起来,接着就该接收客户端连接了,我们下篇文章见~~~~

张贴在2