netty源码解析(4.0)-17 ChannelHandler: IdleStateHandler实现

　　io.netty.handler.timeout.IdleStateHandler功能是监测Channel上read, write或者这两者的空闲状态。当Channel超过了指定的空闲时间时，这个Handler会触发一个IdleStateEvent事件。

　　在第一次检测到Channel变成active状态时向EventExecutor中提交三个延迟任务：

　　　　ReaderIdleTimeoutTask: 检测read空闲超时。

　　　　WriterIdleTimeoutTask: 检测write空闲超时。

　　　　AllIdleTimeoutTask: 检测所有的空闲超时。

　　任何一个延迟任务检测到空闲超时是会触发一个IdleStateEvent。无论如何，延迟任务都会再次把自己提交到EventExecutor中，等待下次执行。

　　三个延迟任务对应于三个超时时间，都是可以独立设置的:

 1 public IdleStateHandler(boolean observeOutput,
 2             long readerIdleTime, long writerIdleTime, long allIdleTime,
 3             TimeUnit unit) {
 4         if (unit == null) {
 5             throw new NullPointerException("unit");
 6         }
 7 
 8         this.observeOutput = observeOutput;
 9 
10         if (readerIdleTime <= 0) {
11             readerIdleTimeNanos = 0;
12         } else {
13             readerIdleTimeNanos = Math.max(unit.toNanos(readerIdleTime), MIN_TIMEOUT_NANOS);
14         }
15         if (writerIdleTime <= 0) {
16             writerIdleTimeNanos = 0;
17         } else {
18             writerIdleTimeNanos = Math.max(unit.toNanos(writerIdleTime), MIN_TIMEOUT_NANOS);
19         }
20         if (allIdleTime <= 0) {
21             allIdleTimeNanos = 0;
22         } else {
23             allIdleTimeNanos = Math.max(unit.toNanos(allIdleTime), MIN_TIMEOUT_NANOS);
24         }
25     }

　　这个类继承自io.netty.channel.ChannelDuplexHandler, 它是一个有状态的ChannelHandler, 定义了三个状态:

　　private byte state; // 0 - none, 1 - initialized, 2 - destroyed

　　state属性保存了它的状态。0：初始状态，1：已经初始化， 2: 已经销毁。

　　这个ChannelHandler被加入到Channel的pipeline中之后，在Channel已经被register到EventLoop中，且处于Active状态时，会执行一次初始化操作，向EventExecutor提交前面提到的三个延迟任务。这初始化操作在initialize方法中实现。

 1     private void initialize(ChannelHandlerContext ctx) {
 2         // Avoid the case where destroy() is called before scheduling timeouts.
 3         // See: https://github.com/netty/netty/issues/143
 4         switch (state) {
 5         case 1:
 6         case 2:
 7             return;
 8         }
 9 
10         state = 1;
11         initOutputChanged(ctx);
12 
13         lastReadTime = lastWriteTime = ticksInNanos();
14         if (readerIdleTimeNanos > 0) {
15             readerIdleTimeout = schedule(ctx, new ReaderIdleTimeoutTask(ctx),
16                     readerIdleTimeNanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
17         }
18         if (writerIdleTimeNanos > 0) {
19             writerIdleTimeout = schedule(ctx, new WriterIdleTimeoutTask(ctx),
20                     writerIdleTimeNanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
21         }
22         if (allIdleTimeNanos > 0) {
23             allIdleTimeout = schedule(ctx, new AllIdleTimeoutTask(ctx),
24                     allIdleTimeNanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
25         }
26     }

　　第4-10行，只有处于初始状态时才执行后面的操作，避免多次提交定时任务。

　　第11行，初始化对对Channel的outboundBuffer变化的监视，只有当observeOutput属性设置为true时才开启这个监视。

　　第13-25行，分别提交三个延迟任务。

　　initialize方法可能在三个地方被调用:

    @Override
    public void handlerAdded(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        if (ctx.channel().isActive() && ctx.channel().isRegistered()) {
            // channelActive() event has been fired already, which means this.channelActive() will
            // not be invoked. We have to initialize here instead.
            initialize(ctx);
        } else {
            // channelActive() event has not been fired yet.  this.channelActive() will be invoked
            // and initialization will occur there.
        }
    }

    @Override
    public void channelRegistered(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        // Initialize early if channel is active already.
        if (ctx.channel().isActive()) {
            initialize(ctx);
        }
        super.channelRegistered(ctx);
    }


    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        // This method will be invoked only if this handler was added
        // before channelActive() event is fired.  If a user adds this handler
        // after the channelActive() event, initialize() will be called by beforeAdd().
        initialize(ctx);
        super.channelActive(ctx);
    }

　　如果在Channel初始化的时候把这个Handler添加到pipeline中，那么这个Handler的channelActive方法一定会被调用，只需要在channleActive中调用initialize就可以打了。但是Handler可以在任何时候被加入到pipleline中。当ChannelHandler被添加到pipeline中时，Channel可能已经被register到EventLoop中，且已经处于Active状态，这种情况下，channelRegistered和channelActive方法都不会被调用，所以必须在handlerAdded中调用initialize。如果此时，Channnel已经处于Active状态，但还没被注册到EventLoop，只能在channelRegisted中调用initialize。

　　初始化完成之后，延迟任务到期执行时会把自己再次提交到EventExecutor中，等待下次执行。同时会检查是否满足触发事件的条件，如果是就触发一条自定义的事件。

read空闲超时检查

 1 private final class ReaderIdleTimeoutTask extends AbstractIdleTask {
 2         @Override
 3         protected void run(ChannelHandlerContext ctx) {
 4             long nextDelay = readerIdleTimeNanos;
 5             if (!reading) {
 6                 nextDelay -= ticksInNanos() - lastReadTime;
 7             }
 8 
 9             if (nextDelay <= 0) {
10                 // Reader is idle - set a new timeout and notify the callback.
11                 readerIdleTimeout = schedule(ctx, this, readerIdleTimeNanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
12 
13                 boolean first = firstReaderIdleEvent;
14                 firstReaderIdleEvent = false;
15 
16                 try {
17                     IdleStateEvent event = newIdleStateEvent(IdleState.READER_IDLE, first);
18                     channelIdle(ctx, event);
19                 } catch (Throwable t) {
20                     ctx.fireExceptionCaught(t);
21                 }
22             } else {
23                 // Read occurred before the timeout - set a new timeout with shorter delay.
24                 readerIdleTimeout = schedule(ctx, this, nextDelay, TimeUnit.NANOSECONDS);
25             }
26         }
27     }

　　4-9行，判断是否read空闲超时。

　　11-21行，read空闲超时，重新把自己提交成延迟任务。

　　24行，read没有空闲超时，重新把自己提交成延迟任务。

　　这里的关键是判断read空闲超时。lastReadTime是最近一次执行read的时间，readerIdleTimeNanos是初始化时设置的空闲超时时间，因此如果readerIdleTimeNanos - （ticksInNanos() - lastReadtime) <= 0，表示已经read空闲超时了。令人困惑的是第5行，只有在reading==false才检查进行空闲超时的计算。笔者在<<netty源码解解析(4.0)-14 Channel NIO实现:读取数据>>一章中分析过Channel read的实现。一次read操作或触发多个read和一个readComplete事件，read操作由多个步骤组成。这reading属性用来表示正在read的状态。

 1     @Override
 2     public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
 3         if (readerIdleTimeNanos > 0 || allIdleTimeNanos > 0) {
 4             reading = true;
 5             firstReaderIdleEvent = firstAllIdleEvent = true;
 6         }
 7         ctx.fireChannelRead(msg);
 8     }
 9 
10     @Override
11     public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
12         if ((readerIdleTimeNanos > 0 || allIdleTimeNanos > 0) && reading) {
13             lastReadTime = ticksInNanos();
14             reading = false;
15         }
16         ctx.fireChannelReadComplete();
17     }

　　3-4行，在设置了读空闲超时或所有空闲超时的情况下，会吧reading设置成true，表示当前正处于正在read的状态。

　　12-14行，在设置了读空闲超时或所有空闲超时的情况下，如果当前正处于read状态，把reading设置成false，同时更新最近一次执行read的时间。

write空闲超时检查

 1     private final class WriterIdleTimeoutTask extends AbstractIdleTask {
 2 
 3         @Override
 4         protected void run(ChannelHandlerContext ctx) {
 5 
 6             long lastWriteTime = IdleStateHandler.this.lastWriteTime;
 7             long nextDelay = writerIdleTimeNanos - (ticksInNanos() - lastWriteTime);
 8             if (nextDelay <= 0) {
 9                 // Writer is idle - set a new timeout and notify the callback.
10                 writerIdleTimeout = schedule(ctx, this, writerIdleTimeNanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
11 
12                 boolean first = firstWriterIdleEvent;
13                 firstWriterIdleEvent = false;
14 
15                 try {
16                     if (hasOutputChanged(ctx, first)) {
17                         return;
18                     }
19 
20                     IdleStateEvent event = newIdleStateEvent(IdleState.WRITER_IDLE, first);
21                     channelIdle(ctx, event);
22                 } catch (Throwable t) {
23                     ctx.fireExceptionCaught(t);
24                 }
25             } else {
26                 // Write occurred before the timeout - set a new timeout with shorter delay.
27                 writerIdleTimeout = schedule(ctx, this, nextDelay, TimeUnit.NANOSECONDS);
28             }
29         }
30     }

　　6-8行，检查write空闲超时，和检查read空闲超时类似。

　　12-21行，如果write空闲超时，且outboundBuffer中的数据没有变化, 触发write空闲超时事件。

　　这里调用了hasOutputChanged方法检查outboundBuffer中的数据是否有变化。笔者在<<netty源码解解析(4.0)-15 Channel NIO实现:写数据>>中分write实现时，已经讲过，每个Channel都以一个outboundBuffer, write的数据会先序列化成Byte流追加到outboundBuffer中，然后再从outboundBuffer中顺序读出Byte流执行真正的write操作。在Handler的write方法没有被调用的情况下，如果outboundBuffer中有数据，且数据发送了变化，表示正在执行真正的write操作，反之则意味着Channel处于不可写的状态，无法执行真正的write操作。write空闲超时事件只会在write空闲超时且没有执行真正write操作的时候才会触发。另外，这个检查有个开关属性，只有observeOutput==true时才会检查。

　　AllIdleTimeoutTask的实现和WriterIdleTimeoutTask类似，只不过检查超时的条件有些差别：read和write任何一个空闲超时都算超时。

ReadTimeoutHandler实现

　　ReadTimeoutHandler继承了IdleStateHandler类，它的功能是在触发read空闲超时事件时触发一个ReadTimeoutException异常，同时关闭Channel。　

    @Override
    protected final void channelIdle(ChannelHandlerContext ctx, IdleStateEvent evt) throws Exception {
        assert evt.state() == IdleState.READER_IDLE;
        readTimedOut(ctx);
    }

    /**
     * Is called when a read timeout was detected.
     */
    protected void readTimedOut(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        if (!closed) {
            ctx.fireExceptionCaught(ReadTimeoutException.INSTANCE);
            ctx.close();
            closed = true;
        }
    }

WriteTimeoutHandler实现

　　WriteTimeoutHandler继承了ChannelOutboundHandlerAdapter，它的功能是在触发监视Channel的write调用超时，如果超时则关闭掉这个Channel。和ReadTimeoutHandler不同，它监控的不是空闲超时，而是Channel的write方法返回的Promise超时。

　　首先在write时候，为每个Promise添加一个监控超时的延迟任务:

    @Override
    public void write(ChannelHandlerContext ctx, Object msg, ChannelPromise promise) throws Exception {
        scheduleTimeout(ctx, promise);
        ctx.write(msg, promise);
    }
    private void scheduleTimeout(final ChannelHandlerContext ctx, final ChannelPromise promise) {
        // Schedule a timeout.
        final WriteTimeoutTask task = new WriteTimeoutTask(ctx, promise);
        task.scheduledFuture = ctx.executor().schedule(task, timeoutNanos, TimeUnit.NANOSECONDS);

        if (!task.scheduledFuture.isDone()) {
            addWriteTimeoutTask(task);

            // Cancel the scheduled timeout if the flush promise is complete.
            promise.addListener(task);
        }
    }

　　然后，如果延迟任务执行的时候检查到Promise超时，就触发一个WriteTimeoutException异常，然后关闭掉这个Channel。

    protected void writeTimedOut(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        if (!closed) {
            ctx.fireExceptionCaught(WriteTimeoutException.INSTANCE);
            ctx.close();
            closed = true;
        }
    }

　　WriteTimeoutTask类同时实现了Runnable和ChannelFutureListener接口，超时后会调用run方法。

 1         @Override
 2         public void run() {
 3             // Was not written yet so issue a write timeout
 4             // The promise itself will be failed with a ClosedChannelException once the close() was issued
 5             // See https://github.com/netty/netty/issues/2159
 6             if (!promise.isDone()) {
 7                 try {
 8                     writeTimedOut(ctx);
 9                 } catch (Throwable t) {
10                     ctx.fireExceptionCaught(t);
11                 }
12             }
13             removeWriteTimeoutTask(this);
14         }

　　7-10行，promise没有完成，触发WriteTimeoutException或其他异常。

13行，write已经完成，删除当前的WriteTimeoutTask对象。

　如果promise已经完成, 会调用operationComplete方法, 清理掉当前的WriteTimeoutTask对象。

        @Override
        public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {
            // scheduledFuture has already be set when reaching here
            scheduledFuture.cancel(false);
            removeWriteTimeoutTask(this);
        }

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