Netty源码解析 -- ChannelOutboundBuffer实现与Flush过程

前面文章说了，ChannelHandlerContext#write只是将数据缓存到ChannelOutboundBuffer，等到ChannelHandlerContext#flush时，再将ChannelOutboundBuffer缓存的数据写到Channel中。
本文分享Netty中ChannelOutboundBuffer的实现以及Flush过程。
源码分析基于Netty 4.1

每个Channel的AbstractUnsafe#outboundBuffer 都维护了一个ChannelOutboundBuffer。
ChannelOutboundBuffer，出站数据缓冲区，负责缓存ChannelHandlerContext#write​的数据。通过链表管理数据，链表节点为内部类Entry。

关键字段如下

Entry tailEntry;		// 链表最后一个节点，新增的节点添加其后。
Entry unflushedEntry;	// 链表中第一个未刷新的节点
Entry flushedEntry;		// 链表中第一个已刷新但数据未写入的节点
int flushed;			// 已刷新但数据未写入的节点数

ChannelHandlerContext#flush操作前，需要先刷新一遍待处理的节点（主要是统计本次ChannelHandlerContext#flush操作可以写入多少个节点数据），从unflushedEntry开始。刷新完成后使用flushedEntry标志第一个待写入的节点，flushed为待写入节点数。

前面分享Netty读写过程的文章说过，AbstractUnsafe#write处理写操作时，会调用ChannelOutboundBuffer#addMessage将数据缓存起来

public void addMessage(Object msg, int size, ChannelPromise promise) {
	// #1
	Entry entry = Entry.newInstance(msg, size, total(msg), promise);
	if (tailEntry == null) {
		flushedEntry = null;
	} else {
		Entry tail = tailEntry;
		tail.next = entry;
	}
	tailEntry = entry;
	if (unflushedEntry == null) {
		unflushedEntry = entry;
	}

	incrementPendingOutboundBytes(entry.pendingSize, false);
}

#1 构建一个Entry，注意，这里使用了对象池RECYCLER，后面有文章详细解析。
主要是更新tailEntry和unflushedEntry
#2 如果当前缓存数量超过阀值WriteBufferWaterMark#high，更新unwritable标志为true，并触发pipeline.fireChannelWritabilityChanged()方法。
由于ChannelOutboundBuffer链表没有大小限制，不断累积数据可能导致 OOM，
为了避免这个问题，我们可以在unwritable标志为true时，不再继续缓存数据。
Netty只会更新unwritable标志，并不阻止数据缓存，我们可以根据需要实现该功能。示例如下

if (ctx.channel().isActive() && ctx.channel().isWritable()) {
    ctx.writeAndFlush(responseMessage);
} else {
    ...
}

addFlush方法负责刷新节点（ChannelHandlerContext#flush操作前调用该方法统计可写入节点数据数）

public void addFlush() {
	// #1
	Entry entry = unflushedEntry;
	if (entry != null) {
		// #2
		if (flushedEntry == null) {
			// there is no flushedEntry yet, so start with the entry
			flushedEntry = entry;
		}
		do {
			// #3
			flushed ++;
			if (!entry.promise.setUncancellable()) {
				// Was cancelled so make sure we free up memory and notify about the freed bytes
				int pending = entry.cancel();
				decrementPendingOutboundBytes(pending, false, true);
			}
			entry = entry.next;
			// #4
		} while (entry != null);

		// All flushed so reset unflushedEntry
		// #5
		unflushedEntry = null;
	}
}

#1 从unflushedEntry节点开始处理
#2 赋值flushedEntry为unflushedEntry。
ChannelHandlerContext#flush写入完成后会置空flushedEntry
#3 增加flushed
设置节点的ChannelPromise不可取消
#4 从unflushedEntry开始，遍历后面节点
#5 置空unflushedEntry，表示当前所有节点都已刷新。

nioBuffers方法负责将当前缓存的ByteBuf转发为(jvm)ByteBuffer

public ByteBuffer[] nioBuffers(int maxCount, long maxBytes) {
	assert maxCount > 0;
	assert maxBytes > 0;
	long nioBufferSize = 0;
	int nioBufferCount = 0;
	// #1
	final InternalThreadLocalMap threadLocalMap = InternalThreadLocalMap.get();
	ByteBuffer[] nioBuffers = NIO_BUFFERS.get(threadLocalMap);
	Entry entry = flushedEntry;
	while (isFlushedEntry(entry) && entry.msg instanceof ByteBuf) {
		if (!entry.cancelled) {
			ByteBuf buf = (ByteBuf) entry.msg;
			final int readerIndex = buf.readerIndex();
			final int readableBytes = buf.writerIndex() - readerIndex;

			if (readableBytes > 0) {
				// #2
				if (maxBytes - readableBytes < nioBufferSize && nioBufferCount != 0) {
					break;
				}
				nioBufferSize += readableBytes;
				// #3
				int count = entry.count;
				if (count == -1) {
					//noinspection ConstantValueVariableUse
					entry.count = count = buf.nioBufferCount();
				}

				int neededSpace = min(maxCount, nioBufferCount + count);
				if (neededSpace > nioBuffers.length) {
					nioBuffers = expandNioBufferArray(nioBuffers, neededSpace, nioBufferCount);
					NIO_BUFFERS.set(threadLocalMap, nioBuffers);
				}
				// #4
				if (count == 1) {
					ByteBuffer nioBuf = entry.buf;
					if (nioBuf == null) {
						// cache ByteBuffer as it may need to create a new ByteBuffer instance if its a
						// derived buffer
						entry.buf = nioBuf = buf.internalNioBuffer(readerIndex, readableBytes);
					}
					nioBuffers[nioBufferCount++] = nioBuf;
				} else {
					...
				}
				if (nioBufferCount == maxCount) {
					break;
				}
			}
		}
		entry = entry.next;
	}
	this.nioBufferCount = nioBufferCount;
	this.nioBufferSize = nioBufferSize;

	return nioBuffers;
}

#1 从线程缓存中获取nioBuffers变量，这样可以避免反复构造ByteBuffer数组的性能损耗
#2 maxBytes，即本次操作最大的字节数。
maxBytes - readableBytes < nioBufferSize，表示如果本次操作后将超出maxBytes，退出
#3
buf.nioBufferCount()，获取ByteBuffer数量，CompositeByteBuf可能有多个ByteBuffer组成。
neededSpace，即nioBuffers数组中ByteBuffer数量，nioBuffers长度不够时需要扩容。
#4
buf.internalNioBuffer(readerIndex, readableBytes)，使用readerIndex, readableBytes构造一个ByteBuffer。
这里涉及ByteBuf相关知识，后面有文章详细解析。

ChannelHandlerContext#flush完成后，需要移除对应的缓存节点。

public void removeBytes(long writtenBytes) {

	for (;;) {
		// #1
		Object msg = current();
		if (!(msg instanceof ByteBuf)) {
			assert writtenBytes == 0;
			break;
		}

		final ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
		final int readerIndex = buf.readerIndex();
		final int readableBytes = buf.writerIndex() - readerIndex;
		// #2
		if (readableBytes <= writtenBytes) {
			if (writtenBytes != 0) {
				progress(readableBytes);
				writtenBytes -= readableBytes;
			}
			remove();
		} else { // readableBytes > writtenBytes
			// #3
			if (writtenBytes != 0) {
				buf.readerIndex(readerIndex + (int) writtenBytes);
				progress(writtenBytes);
			}
			break;
		}
	}
	clearNioBuffers();
}

#1
current方法返回flushedEntry节点缓存数据。
结果null时，退出循环
#2 当前节点的数据已经全部写入，
progress方法唤醒数据节点上ChannelProgressivePromise的监听者
writtenBytes减去对应字节数
remove()方法移除节点，释放ByteBuf，flushedEntry标志后移。
#3 当前节点的数据部分写入，它应该是本次ChannelHandlerContext#flush操作的最后一个节点
更新ByteBuf的readerIndex，下次从这里开始读取数据。
退出

移除数据节点

public boolean remove() {
	Entry e = flushedEntry;
	if (e == null) {
		clearNioBuffers();
		return false;
	}
	Object msg = e.msg;

	ChannelPromise promise = e.promise;
	int size = e.pendingSize;
	// #1
	removeEntry(e);

	if (!e.cancelled) {
		// only release message, notify and decrement if it was not canceled before.
		// #2
		ReferenceCountUtil.safeRelease(msg);
		safeSuccess(promise);
		decrementPendingOutboundBytes(size, false, true);
	}

	// recycle the entry
	// #3
	e.recycle();

	return true;
}

#1
flushed减1
当flushed为0时，flushedEntry赋值为null，否则flushedEntry指向后一个节点。
#2 释放ByteBuf
#3 当前节点返回对象池中，以便复用。

下面来看一下ChannelHandlerContext#flush操作过程。
ChannelHandlerContext#flush -> HeadContext#flush -> AbstractUnsafe#flush

public final void flush() {
	assertEventLoop();

	ChannelOutboundBuffer outboundBuffer = this.outboundBuffer;
	if (outboundBuffer == null) {
		return;
	}
	// #1
	outboundBuffer.addFlush();
	// #2
	flush0();
}

#1 刷新outboundBuffer中数据节点
#2 写入操作

flush -> NioSocketChannel#doWrite

protected void doWrite(ChannelOutboundBuffer in) throws Exception {
	SocketChannel ch = javaChannel();
	int writeSpinCount = config().getWriteSpinCount();
	do {
		// #1
		if (in.isEmpty()) {
			clearOpWrite();
			return;
		}

		// #2
		int maxBytesPerGatheringWrite = ((NioSocketChannelConfig) config).getMaxBytesPerGatheringWrite();
		ByteBuffer[] nioBuffers = in.nioBuffers(1024, maxBytesPerGatheringWrite);
		int nioBufferCnt = in.nioBufferCount();

		switch (nioBufferCnt) {
			case 0:
				// #3
				writeSpinCount -= doWrite0(in);
				break;
			case 1: {
				// #4
				ByteBuffer buffer = nioBuffers[0];
				int attemptedBytes = buffer.remaining();
				final int localWrittenBytes = ch.write(buffer);
				if (localWrittenBytes <= 0) {
					// #5
					incompleteWrite(true);
					return;
				}
				adjustMaxBytesPerGatheringWrite(attemptedBytes, localWrittenBytes, maxBytesPerGatheringWrite);
				// #6
				in.removeBytes(localWrittenBytes);
				--writeSpinCount;
				break;
			}
			default: {
				// #7
				...
			}
		}
	} while (writeSpinCount > 0);

	incompleteWrite(writeSpinCount < 0);
}

#1 通过ChannelOutboundBuffer#flushed判断是否没有数据可以写，没有数据则清除关注事件OP_WRITE，直接返回。
#2 获取ChannelOutboundBuffer中ByteBuf维护的(jvm)ByteBuffer，并统计nioBufferSize，nioBufferCount。
#3 这时没有ByteBuffer，但是可能有其他类型的数据(如FileRegion类型)，调用doWrite0继续处理，这里不再深入
#4 只有一个ByteBuffer，调用SocketChannel#write将数据写入Channel。
#5 如果写入数据数量小于等于0，说明数据没有被写出去(可能是因为套接字的缓冲区满了等原因)，那么就需要关注该Channel上的OP_WRITE事件，方便下次EventLoop将Channel轮询出来的时候，能继续写数据。
#6 移除ChannelOutboundBuffer缓存数据节点。
#7 有多个ByteBuffer，调用SocketChannel#write(ByteBuffer[] srcs, int offset, int length)，批量写入，与上一种情况处理类似

回顾之前文章《事件循环机制实现原理》中对NioEventLoop#processSelectedKey方法的解析

	...
    if ((readyOps & SelectionKey.OP_WRITE) != 0) {
        ch.unsafe().forceFlush();
    }

这里会调用forceFlush方法，再次写入数据。

FlushConsolidationHandler
ChannelHandlerContext#flush是很昂贵的操作，可能触发系统调用，但数据又不能缓存太久，使用FlushConsolidationHandler可以尽量达到写入延迟与吞吐量之间的权衡。
FlushConsolidationHandler中维护了explicitFlushAfterFlushes变量，
在ChannelOutboundHandler#channelRead中调用flush，如果调用次数小于explicitFlushAfterFlushes， 会拦截flush操作不执行。
在channelReadComplete后调用flush，则不会拦截flush操作。

本文涉及ByteBuf组件，它是Netty中的内存缓冲区，后面有文章解析。

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