深入理解 Netty-新连接接入

什么是新连接接入?以及新连接接入前,Netty处于什么状态

netty的服务端NioServerSocketChannel初始化,注册在BossGroup中的一条NioEventLoop中,并且给NioServerSocketChannel中维护的jdk原生的ServerSocketChannel绑定好了端口后, EventLoop启动,开始轮询工作...

这时候 EventLoop 它在轮询什么? 其实它在轮询监听当初NioServerSocketChannel经过二次注册感兴趣的事件时, 告诉 Selector,让Selector关注自己身上可能会出现 OP_ACCEPT 事件, 这合情合理,因为对于Netty的主从Reactor线程模型中, BossGroup中的channel只关心OP_ACCEPT 也就是用户的请求建立连接事件

netty的新连接接入要做哪些工作?

看上图,netty的新连接接入,对应这个线程模型中我圈出来的部分, 主要步骤如下

• 服务端Selector轮询到客户端请求建立连接
• 处理请求
  • 从服务端维护的JDK 原生ServerSocketChannel中accept()客户端的channel
  • 使用new的方法 将客户端的Channel封装成 NioSocketChannel
    • 层层往上调用super(),初始化channel的组件
    • 创建channel的配置类对象 config
  • 向下传播channelRead事件
    • 给客户端的channel设置相关参数
    • 将客户端的channel注册在 workerGroup 中的轮询算法选出的 EventLoop
    • 将jdk原生的SocketChanel注册进 EventLoop中的选择器中
    • 传播channelregist事件
    • 传播channelActive事件
      • 给客户端的channel二次注册netty可以处理的感兴趣的事件

这是我总结的新连接接入的流程,从上面分析的开始检查新链接,终止的标志是,把客户端的NioSocketChannel二次注册在EventLoop上,成为Netty可以处理的chanel为止

入口:NioEventLoop处理IO事件

当服务端的事件循环检测到有io事件时,使用它的processSelectedKeys();处理,源码如下:

private void processSelectedKeys() {
        // todo  selectedKeys 就是经过优化后的keys(底层是数组) , 默认不为null
        if (selectedKeys != null) {
            processSelectedKeysOptimized();
        } else {
            processSelectedKeysPlain(selector.selectedKeys());
        }
}

当有了新IO请求进来, jdk原生的Selector将SelectionKey放入存放感兴趣的key的集合中,而这个集合现在就是netty通过反射的方式强制替换为以数组为数据结构的selectedKeys, 数组不为空, 跟进processSelectedKeysOptimized();,源码如下: 解析写在源码下面:

private void processSelectedKeysOptimized() {
for (int i = 0; i < selectedKeys.size; ++i) {
    final SelectionKey k = selectedKeys.keys[i];
    // null out entry in the array to allow to have it GC'ed once the Channel close
    // todo 数组输出空项, 从而允许在channel 关闭时对其进行垃圾回收
    // See https://github.com/netty/netty/issues/2363
    // todo 数组中当前循环对应的keys质空, 这种感兴趣的事件只处理一次就行
    selectedKeys.keys[i] = null;

    // todo 获取出 attachment,默认情况下就是注册进Selector时,传入的第三个参数  this===>   NioServerSocketChannel
    // todo 一个Selector中可能被绑定上了成千上万个Channel,  通过K+attachment 的手段, 精确的取出发生指定事件的channel, 进而获取channel中的unsafe类进行下一步处理
    final Object a = k.attachment();
    // todo

    if (a instanceof AbstractNioChannel) {
        // todo 进入这个方法, 传进入 感兴趣的key + NioSocketChannel
        processSelectedKey(k, (AbstractNioChannel) a);
    } else {
        @SuppressWarnings("unchecked")
        NioTask<SelectableChannel> task = (NioTask<SelectableChannel>) a;
        processSelectedKey(k, task);
    }

    if (needsToSelectAgain) {
        // null out entries in the array to allow to have it GC'ed once the Channel close
        // See https://github.com/netty/netty/issues/2363
        selectedKeys.reset(i + 1);

        selectAgain();
        i = -1;
    }
}
}

处理感兴趣的事件, 想想,需要什么他才能进一步处理呢? 需要下面两点:

• 这个感兴趣的事件是啥?
  • 在这了就是上面的 k
• 哪个channel出现的Selector感兴趣的事件?
  • 在这里是通过 attachment拿到的 a ,其实不就是服务端的NioServerSocketChannel ?

另外它把NioServerSocketChannel向上强转成了AbstractNioChannel这是为什么呢?

答:
第一点:
在我写的上一篇Chanel的架构体系中,我们知道,Netty的NioXXXChannel其实是netty的,基于原生的jdk的chanel的封装,而在他的整个继承体系中,这个AbstractNioChannel就负责维护jdk原生的channel, 知道了这有啥用? 当然有用,我们要去给客户端channel接生了,原生服务端channel.accept()==客户端channel

第二点:
针对数据的读写都是unsafe中,回想是哪个类中定义了读取channel中IO数据的抽象模板函数呢? AbstractNioChannel, 是它新增的内部接口,从而进客户端和服务对针对chanel的不同特化read进行不同的实现

好, 有了这两个条件,继续跟进processSelectedKey(k, (AbstractNioChannel) a);看它是如何处理, 源码如下:

• 获取到服务端的unsafe对象(数据读写)
• 根据k的readOps,进行计算决定执行unsafe.read();

// todo 服务端启动后,方法被用用处理新链接,  可以模拟 telnet localhost 8899 新链接的介入
// todo 处理selectedkey
// todo netty底层对数据的读写都是  unsafe完成的
private void processSelectedKey(SelectionKey k, AbstractNioChannel ch) {
// todo 这个unsafe 也是可channel 也是和Channel进行唯一绑定的对象
final AbstractNioChannel.NioUnsafe unsafe = ch.unsafe();
if (!k.isValid()) {   // todo 确保Key的合法
    final EventLoop eventLoop;
    try {
        eventLoop = ch.eventLoop();
    } catch (Throwable ignored) {
        return;
    }
    if (eventLoop != this || eventLoop == null) { // todo 确保多线程下的安全性
        return;
    }
    unsafe.close(unsafe.voidPromise());
    return;
}
// todo NioServerSocketChannel和selectKey都合法的话, 就进入下面的 处理阶段
try {
    // todo 获取SelectedKey 的 关心的选项
    int readyOps = k.readyOps();
    // todo 在read()   write()之前我们需要调用 finishConnect()  方法, 否则  NIO JDK抛出异常
    if ((readyOps & SelectionKey.OP_CONNECT) != 0) {
        // remove OP_CONNECT as otherwise Selector.select(..) will always return without blocking
        // See https://github.com/netty/netty/issues/924
        int ops = k.interestOps();
        ops &= ~SelectionKey.OP_CONNECT;
        k.interestOps( );

        unsafe.finishConnect();
    }

    // Process OP_WRITE first as we may be able to write some queued buffers and so free memory.
    if ((readyOps & SelectionKey.OP_WRITE) != 0) {
        // Call forceFlush which will also take care of clear the OP_WRITE once there is nothing left to  write
        ch.unsafe().forceFlush();
    }
    // todo 同样是检查 readOps是否为零, 来检查是否出现了  jdk  空轮询的bug
    if ((readyOps & (SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_ACCEPT)) != 0 || readyOps == 0) {
        unsafe.read();
    }
} catch (CancelledKeyException ignored) {
    unsafe.close(unsafe.voidPromise());
}
}

下面我们进入 unsafe.read();, 直接跳进去,直接进入到了AbstractNioChannel的抽象内部类,因为上面说了,做了向上强制类型转换,我们源码如下:

    /**
     * Special {@link Unsafe} sub-type which allows to access the underlying {@link SelectableChannel}
     */
    public interface NioUnsafe extends Unsafe {
        /**
         * Return underlying {@link SelectableChannel}
         */
        SelectableChannel ch();

        /**
         * Finish connect
         */
        void finishConnect();

      
        void forceFlush();
    }

具体的实现是谁? 因为我们是服务端的channel, 所以实现类是:NioMessageUnsafe, 进入查看他的源码: 下面这段代码真的是挺长的, 它的解析我写在他的下面:

@Override
public void read() {
    // todo 同样是断言, 当前的线程必须是在 EventLoop  里面的线程才有资格执行
    assert eventLoop().inEventLoop( );
    final ChannelConfig config = config();
    final ChannelPipeline pipeline = pipeline();
    // todo 用于查看服务端接受的速率, 说白了就是控制服务端是否接着read 客户端的IO事件
    final RecvByteBufAllocator.Handle allocHandle = unsafe().recvBufAllocHandle();
    allocHandle.reset(config);

    boolean closed = false;
    Throwable exception = null;
    try {
        try {
            do {
                // todo 进入
                int localRead = doReadMessages(readBuf);
                if (localRead == 0) {
                    break;
                }
                if (localRead < 0) {
                    closed = true;
                    break;
                }
                //todo 对读到的连接,进行简单的计数
                allocHandle.incMessagesRead(localRead);
            } while (allocHandle.continueReading());
        } catch (Throwable t) {
            exception = t;
        }

        int size = readBuf.size();
        for (int i = 0; i < size; i ++) {
            readPending = false;
            // todo 处理新的连接的逻辑来到这, 意思是让pipeline中发生事件传播,
            // todo pipeline是谁的呢?  现在是NioMessageUnsafe  所以是服务端的,
            // todo 事件是如何传播的呢?  head-->>ServerBootStraptAcceptor-->>tail 依次传播,
            // todo 传播的什么事件?  ChannelRead,  也就是说,会去调用 ServerBootStraptAcceptor的ChannelRead方法,跟进去
            pipeline.fireChannelRead(readBuf.get(i));
        }
        readBuf.clear();
        allocHandle.readComplete();
        pipeline.fireChannelReadComplete();

        if (exception != null) {
            closed = closeOnReadError(exception);

            pipeline.fireExceptionCaught(exception);
        }

        if (closed) {
            inputShutdown = true;
            if (isOpen()) {
                close(voidPromise());
            }
        }
    } finally {
        // Check if there is a readPending which was not processed yet.
        // This could be for two reasons:
        // * The user called Channel.read() or ChannelHandlerContext.read() in channelRead(...) method
        // * The user called Channel.read() or ChannelHandlerContext.read() in channelReadComplete(...) method
        //
        // See https://github.com/netty/netty/issues/2254
        if (!readPending && !config.isAutoRead()) {
            removeReadOp();
        }
    }
}
}

read()三部曲:

针对这段代码,我们值关心下面几部分, 这三部分结束, 整个新链接的建立就完成了,
下面三部曲的 大前提都是,当前我们是在AbstractNioMessageChannel

• doReadMessages(readBuf)
• allocHandle.incMessagesRead(localRead);
• pipeline.fireChannelRead(readBuf.get(i));

第一步:

如何创建出jdk原生的 客户端channel,对它做了什么?

第一步doReadMessages(readBuf) 这是AbstractNioMessageChannel的抽象方法,从chanel读取内容我们需要一个维护特化chanenl引用的对象,谁呢? 它的子类NioServerSocketChannel, 源码如下: 解析依然写在代码下面

//todo doReadMessage  其实就是 doChannel
// todo 处理新连接, 现在是在 NioServReaderSocketChannel里面
@Override
protected int doReadMessages(List<Object> buf) throws Exception {
    // todo java Nio底层在这里 创建jdk底层的 原生channel
    SocketChannel ch = SocketUtils.accept(javaChannel());

    try {
        if (ch != null) {
            // todo  把java原生的channel, 封装成 Netty自定义的封装的channel , 这里的buf是list集合对象,由上一层传递过来的
            // todo  this  --  NioServerSocketChannel
            // todo  ch --     SocketChnnel
            buf.add(new NioSocketChannel(this, ch));
            return 1;
        }
    } catch (Throwable t) {
        logger.warn("Failed to create a new channel from an accepted socket.", t);

        try {
            ch.close();
        } catch (Throwable t2) {
            logger.warn("Failed to close a socket.", t2);
        }
    }

    return 0;
}

这是个跨越性的操作, 上面的代码主要进行如下面几步工作:

• 从原生的jdk ServerSocketChannel中 accept出 jdk原生的 SocketChanel
• 将jdk原生的 Socket封装成Netty对它的封装类型 NioChannel

为啥,服务端的channel需要反射创建,而客户的的channel直接new?

我的理解是,netty不仅可以做 NIO编程模型的服务器, 传统的阻塞式IO,或者其他类型的服务器他也可以做, 我们传递进入的服务端Chanel的类型决定了他可以成为的服务器的类型, netty的设计者是不知道,用户想用netty做些什么的,于是设计成通过反射创建

但是,一旦服务端的channel类型确定了,对应的客户端的channel也一定知道了,直接new 就好了

NioSocketChannel的创建过程

我们跟进new NioSocketChannel(this, ch) ,继续阅读, 其中的 this,是服务端的NioServerSocketChannel , ch 是 jdk原生的 SocketChannel, 方法调用链 的源码如下:

public NioSocketChannel(Channel parent, SocketChannel socket) {
    // todo 向上传递
    super(parent, socket);
    // todo 主要是设置 禁用了 NoDelay算法
    config = new NioSocketChannelConfig(this, socket.socket());
}

跟进去, 看, 他把SelectionKey.OP_READ,传递给了他的父类, 稍后 会用这个参数进行 cannel的二次注册,使得NioSocketChannel可以被netty处理它发生的感兴趣的事件, 我们发现,和服务端的chanel明显不同的是, 服务端的NioChannel关注用户的accept,而这里的客户端的channel关注的是read事件,它标志着,服务端的Selector会关心它当中传递进客户端发送的数据,告诉Selector应该读

protected AbstractNioByteChannel(Channel parent, SelectableChannel ch) {
    super(parent, ch, SelectionKey.OP_READ);
}

继续跟进,到AbstractNioChannel, 他做了如下工作:

• super(parent) 把NioServerSocketChannel设置为NioSokcetChannel的父parent
• 自己维护原生的JDK SocketChannel
• 保存感性趣的选项
• 设置为非阻塞

源码如下:

*/ // todo 无论是服务端的channel 还是客户端的channel都会使用这个方法进行初始化
// // TODO: 2019/6/23                null        ServerSocketChannel       accept
// todo  如果是在创建NioSocketChannel  parent==NioServerSocketChannel  ch == SocketChanel
protected AbstractNioChannel(Channel parent, SelectableChannel ch, int readInterestOp) {
    super(parent);// todo  继续向上跟,创建基本的组件
    // todo 如果是创建NioSocketChannel   这就是在保存原生的jdkchannel
    // todo 如果是创建NioServerSocketChannel   这就是在保存ServerSocketChannel
    this.ch = ch;
    // todo 设置上感兴趣的事件
    this.readInterestOp = readInterestOp;
    try {
        // todo 作为服务端, ServerSocketChannel 设置为非阻塞的
        // todo 作为客户端   SocketChannel 设置为非阻塞的
        ch.configureBlocking(false);

第二步:

现在NioSocketChannel已经创建完成了,代码的调用栈重新返回上面的NioMessageUnsafe.read()方法,我们接着往下看

//todo 对读到的连接,进行简单的计数
    allocHandle.incMessagesRead(localRead);

第三步 pipeline.fireChannelRead(readBuf.get(i));

往下传播channelRead(), 在管道中传递事件 channel, 对于服务端来说, 现在他的pipeline是怎么个状态呢?

Header --> ServerBootStraptAcceptor --> tail

channel的pipeline组件是基于双向链表实现,其中head和tail是默认的链表头和尾, 中间的ServerBootStraptAcceptor是什么呢? 其实他是在创建服务端的NioServerSocketChannel时,是在channel注册完毕之后,通过回调,将ServerBootStrap的init()函数,给channel添加channelInitializer时添加进去的; ServerBootStraptAcceptor本质上就是handler, 回顾第一个图, 他就是图中的Acceptor

ok,现在我们去直接去ServerBootStraptAcceptor中,他是ServerBootStrap的内部类,我们看它的channelRead()方法,源码如下:

public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
    final Channel child = (Channel) msg;
    // todo 给这个来连接的通道添加 childHandler,是我在Server中添加的childHandler, 实际上是那个MyChannelInitializer , 最终目的是添加handler
    child.pipeline().addLast(childHandler);
    // todo 给新来的Channel设置 options 选项
    setChannelOptions(child, childOptions, logger);
    // todo 给新来的Channel设置 attr属性
    for (Entry<AttributeKey<?>, Object> e : childAttrs) {
        child.attr((AttributeKey<Object>) e.getKey()).set(e.getValue());
    }

    try {
        //todo 这里这!!   把新的channel注册进 childGroup
        childGroup.register(child).addListener(new ChannelFutureListener() {
            @Override
            public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {

我们可以看到,如下工作:

• 初始化属性
• 把客户端的channel的注册进childGroup中的EventLoop

在这里补一张channelGroup的继承图

我们看这个childGroup.regist()方法, 我们知道childGroup是workerGroup,在本类中,它的类型是EventLoopGroup,这是个接口类型的变量, 我们用点进去查看源码自然跳转进接口中,但是我们需要找他的实现类, 那么,是谁重写的它的方法呢?

大家去看看上面的图,它的直接实现类只有一个MultiThreadEventGroup, 其实大家想想看,现在的任务是将原生的客户端channel,注册进WorkerGroup中的EventLoop,那第一步是啥呢? 不得先从这个 事件循环组中拿出一个事件循环吗? 好,进去看MultiThreadEventGroup是如何实现的, 源码如下:

@Override
public ChannelFuture register(Channel channel) {
    // todo  next()  -- 就在上面->  根据轮询算法获取一个事件的执行器  EventExecutor
    // todo, 而每一个EventLoop对应一个EventExecutor   这里之所以是个组, 是因为, 我的机器内核决定我的  事件循环组有八个线程,
    //  todo ?? ????
    // todo 但是一会的责任并没有一直循环, 难道有效的bossGroup只有一条

    // todo 再进去就是SingleThreadEventLoop对此方法的实现了
    return next().register(channel);
}

是的,确实在获取事件循环,我们进行跟进 next().register(channel), 现在是 eventloop.regist() ,当我们进入方法时,再次来到EventLoopGroup对这个方法的实现, ok,大家重新去看上面的图,一个eventloop.regist(),现在不再是 循环组.regist 而是 事件循环.regist, 而在图上,我们可以很轻松的看到 , 对EventLoopGroup接口的实现就是 SingleThreadEventLoop, 好,接着进去看它的实现, 源码如下:

// todo register来到这里
@Override
public ChannelFuture register(Channel channel) {
    // todo  ChannelPromise == channel+Executor    跟进去
    // todo   再次调用 register, 就在下面
    return register(new DefaultChannelPromise(channel, this));
}

调用本类的register(new DefaultChannelPromise(channel, this) ,接着进去,源码如下: 同样解析写在源码下面

@Override
public ChannelFuture register(final ChannelPromise promise) {
    ObjectUtil.checkNotNull(promise, "promise");
    // todo 重点来了
    // todo channel() 获取通道对象
    // todo unsafe()  获取仅供内部使用的unsafe对象   它定义在Channel接口中, 具体的对象是  Channel的子类, AbstractNioChannel
    // todo unsafe对象进行下一步注册 register
    * promise.channel().unsafe().register(this, promise);
    return promise;
}

• promise.channel() 取出的是客户端的 NioSocketChanenl
• promise.channel().unsafe() 是 AbstractUnsafe

来到regist()的实现类

方法调用链:

• 本类方法register
  • 本类方法register0()
    • 本类抽象方法doRegister()
    • pipeline.fireChannelRegistered();传播channel注册事件
    • pipeline.fireChannelActive(); 传播channel Active事件
      • 二次注册事件

其中,上面的doRegister()是真正的将jdk原生的channel注册进原生的selector

pipeline.fireChannelRegistered();是在 header --> ServerBootStraptAccptor --> 用户自己添加的handler --> tail 中,挨个传递 ChannelRegistered, 就是从头开始调用它们的函数, 我们着重看下面的第三个

pipeline.fireChannelActive();其实是比较绕的,涉及到了pipeline中事件的传递,但是它的作用很大,通过传播channelActive挨个回调他们的状态,netty成功的给这条客户端的新连接注册上了netty能处理的感兴趣的事件

整体源码太长了我不一一贴出来了, 直接看关于pipeline.fireChannelActive();的源码,如下:

if (isActive()) {
    if (firstRegistration) {
        // todo 在pipeline中传播ChannelActive的行为,跟进去
        pipeline.fireChannelActive();
    } else if (config().isAutoRead()) {
        // This channel was registered before and autoRead() is set. This means we need to begin read
        // again so that we process inbound data.
        //
        // See https://github.com/netty/netty/issues/4805
        // todo 可以接受客户端的数据了
        beginRead();
    }

第一个判断, if (isActive())针对两个channel,存在两种情况

• 如果是服务端的channel, 只有在channel绑定完端口后,才会处于active的状态
• 如果是客户端的channel, 注册到selector+处于连接状态, 他就是active状态

满足条件,进入第一个分支判断,同样满足第一次注册的条件,开始传播事件

回想一下,现在程序进行到什么状态? 看上图的subReactor每一个蓝色的箭头都是一个客户端的channel, 问题是netty还处理不了这些channel上的会发生的感兴趣的事件,因为第一步我们只是把jdk原生的chanel和原生的selector之间进行了关联, 而netty对他们的封装类还没有关联,于是下一步就通过传播active的行为去二次注册关联感兴趣的事件

关于pipeline中的事件传递太多内容了,在下篇博客中写,连载

现在直接给结果,

传递到header的read()源码如下

  @Override
    public void read(ChannelHandlerContext ctx) {
    // todo 如果是服务端: NioMessageUnsafe
    // todo 如果是客户端: NioSocketChannelUnsafe
    unsafe.beginRead();
}

接着跟进

@Override
protected void doBeginRead() throws Exception {
// Channel.read() or ChannelHandlerContext.read() was called
//todo 如果是服务端: 这里的SelectionKey就是我们在把NioServerSocketChannel 注册进BoosGroup中的eventLoop时，返回的selectionKey , 就在上面
//todo 如果是客户端: 这里的SelectionKey就是我们在把NioSocketChannel 注册进BoosGroup中的eventLoop时，返回的selectionKey , 就在上面
final SelectionKey selectionKey = this.selectionKey;
// todo 这SelectionKey 就是我们把 NioServerSocketChannel中的ServerSocketChannel注册进BossGroup时, 附加的第三个参数 0
if (!selectionKey.isValid()) {
    return;
}

readPending = true;
// todo 获取这个Selection 的感兴趣的事件，实际就是当时注册时的第二个参数 0
final int interestOps = selectionKey.interestOps();
// todo 如果是服务端, readInterestOp是创建服务端channel时设置的 op_accept
// todo 如果是客户端的新连接,readInterestOp是创建客户端channel时设置的 op_read
if ((interestOps & readInterestOp) == 0) {
    // todo interestOps | readInterestOp两者进行或运算，原来是0事件 ， 现在又增加了一个事件， accept事件或者是read
    // todo 进而 从新注册到SelectionKey上面去。。。 0P_Accept 或者 OP_Read
    selectionKey.interestOps(interestOps | readInterestOp);
}
}

ok, 到这里netty的新链接接入就完成了....
连载下一篇, pipeline中的事件传播