精进篇：netty源码死磕7
巧夺天工——Pipeline入站流程详解
1. Pipeline的入站流程
在讲解入站处理流程前，先脑补和铺垫一下两个知识点：
（1）如何向Pipeline添加一个Handler节点
（2）Handler的出站和入站的区分方式
1.1. HandlerContext节点的添加
在Pipeline实例创建的同时，Netty为Pipeline创建了一个Head和一个Tail，并且建立好了链接关系。
代码如下：
protected DefaultChannelPipeline(Channel channel) {
this.channel = ObjectUtil.checkNotNull(channel, "channel");
tail = new TailContext(this);
head = new HeadContext(this);
head.next = tail;
tail.prev = head;
}
也就是说，在加入业务Handler之前，Pipeline的内部双向链表不是一个空链表。而新加入的Handler，加入的位置是，插入在链表的倒数第二个位置，在Tail的前面。
加入Handler的代码，在DefaultChannelPipeline类中。
具体的代码如下：
@Override
public final ChannelPipeline addLast(EventExecutorGroup group, String name, ChannelHandler handler) {
final AbstractChannelHandlerContext newCtx;
synchronized (this) {
//检查重复
checkMultiplicity(handler);
//创建上下文
newCtx = newContext(group, filterName(name, handler), handler);
//加入双向链表
addLast0(newCtx);
//…
}
callHandlerAdded0(newCtx);
return this;
}
加入之前，首先进行Handler的重复性检查。非共享类型的Handler，只能被添加一次。如果当前要添加的Handler是非共享的，并且已经添加过，那就抛出异常，否则，标识该handler已经添加。
什么是共享类型，什么是非共享类型呢？先聚焦一下主题，后面会详细解答。
检查完成后，给Handler创建包裹上下文Context，然后将Context加入到双向列表的尾部Tail前面。
代码如下：
private void addLast0(AbstractChannelHandlerContext newCtx) {
AbstractChannelHandlerContext prev = tail.prev;
newCtx.prev = prev;
newCtx.next = tail;
prev.next = newCtx;
tail.prev = newCtx;
}
这里主要是通过调整双向链接的指针，完成节点的插入。如果对双向链表不熟悉，可以自己画画指向变化的草图，就明白了。
1.2. Context的出站和入站的类型
对于入站和出站，Pipeline中两种不同类型的Handler处理器，出站Handler和入站Handler。
入站（inBound）事件Handler的基类是 ChannelInboundHandler，出站（outBound）事件Handler的基类是 ChannelOutboundHandler。
处理入站（inBound）事件，最典型的就是处理Channel读就绪事件，还有就是业务处理Handler。处理出站outBound操作，最为典型的处理，是写数据到Channel。
对应于两种Handler处理器的Context 包裹器，更加需要区分入站和出站。对Context的区分方式，又是什么呢？
首先，需要在Context加了一组boolean类型判断属性，判断出站和入站的类型。这组属性就是——inbound、outbound。这组属性，定义在上下文包裹器的基类中——ContextAbstractChannelHandlerContext 定义。它们在构造函数中进行初始化。
ContextAbstractChannelHandlerContext 的构造器代码如下：
abstract class AbstractChannelHandlerContext extends DefaultAttributeMap implements ChannelHandlerContext
{
private final boolean inbound;
private final boolean outbound;
AbstractChannelHandlerContext(DefaultChannelPipeline pipeline, EventExecutor executor, String name,
boolean inbound, boolean outbound) {
//….
this.pipeline = pipeline;
this.executor = executor;
this.inbound = inbound;
this.outbound = outbound;
//…
}
//…
}
final class DefaultChannelHandlerContext extends AbstractChannelHandlerContext {
//…
private final ChannelHandler handler;
private static boolean isInbound(ChannelHandler handler) {
return handler instanceof ChannelInboundHandler;
}
private static boolean isOutbound(ChannelHandler handler) {
return handler instanceof ChannelOutboundHandler;
}
DefaultChannelHandlerContext(
DefaultChannelPipeline pipeline, EventExecutor executor, String name, ChannelHandler handler) {
super(pipeline, executor, name, isInbound(handler), isOutbound(handler));
//….
this.handler = handler;
}
}
再看两个非通用的HandlerContext——head和tail。
在HeadContext，则调用父类构造器的第五个参数（outbound）的值为true，表示Head是一个出站类型的Context。代码如下：
final class HeadContext extends AbstractChannelHandlerContext
implements ChannelOutboundHandler, ChannelInboundHandler {
private final Unsafe unsafe;
HeadContext(DefaultChannelPipeline pipeline) {
//父类构造器
super(pipeline, null, HEAD_NAME, false, true);
//...
}
}
在TailContext，则调用父类构造器的第四个参数（inbound）的值为true，表示Tail是一个入站类型的Context。代码如下：
final class TailContext extends AbstractChannelHandlerContext implements ChannelInboundHandler {
TailContext(DefaultChannelPipeline pipeline) {
super(pipeline, null, TAIL_NAME, true, false);
//...
}
}
无论是哪种类型的handler，Pipeline没有单独和分开的入站和出站链表，都是统一在一个双向链表中进行管理。
下图中，使用紫色代表入站Context，橙色代表出站Context。
在上图中，橙色表示出站Context，紫色表示入站Context。
在上图中的流程中，区分一个 ChannelHandlerContext到底是in（入站）还是out（出站） ，使用的是Context的isInbound（） 和 isOutbound（） 这一组方法。
赘述一下:
Tail是出站执行流程的启动点，但是，它最后一个入站处理器。
Hearder，是入站流程的启动起点，但是，它最后一个出站处理器。
感觉，有点儿饶。容易让人混淆。看完整个的入站流程和出站流程的详细介绍，就清楚了。
1.3. 入站操作的全流程
入站事件前面已经讲过，流向是从Java 底层IO到ChannelHandler。入站事件的类型包括连接建立和断开、读就绪、写就绪等。
基本上，，在处理流程上，大部分的入站事件的处理过程，是一致的。
通用的入站Inbound事件处理过程，大致如下（使用IN_EVT符号代替一个通用事件）:
（1）pipeline.fireIN_EVT
（2）AbstractChannelHandlerContext.invokeIN_EVT(head, msg);
（3）context.invokeIN_EVT(msg);
（4）handler.IN_EVT
（5）context.fireIN_EVT(msg);
（6）Connect.findContextInbound()
（7）context.invokeIN_EVT(msg);
上面的流程，如果短时间内看不懂，没有关系。可以先看一个例子，再回来推敲学习这个通用流程。
1.4. 读就绪事件的流程实例
下面以最为常见和最好理解的事件——读就绪的事件为例，将Inbound事件做一个详细的描述。
整个读就绪的入站处理流程图，如下：
1.5. 入站源头的Java底层 NIO封装
入站事件处理的源头，在Channel的底层Java NIO 就绪事件。
Netty对底层Java NIO的操作类，进行了封装，封装成了Unsafe系列的类。比方说，AbstractNioByteChannel 中，就有一个NioByteUnsafe 类，封装了底层的Java NIO的底层Byte字节的读取操作。
为什么叫Unsafe呢？
很简单，就是在外部使用，是不安全的。Unsafe就是只能在Channel内部使用的，在Netty 外部的应用开发中，不建议使用。Unsafe包装了底层的数据读取工作，包装在Channel中，不需要应用程序关心。应用程序只需要从缓存中，取出缓存数据，完成业务处理即可。
Channel 读取数据到缓存后，下一步就是调用Pipeline的fireChannelRead（）方法，从这个点开始，正式开始了Handler的入站处理流程。
从Channel 到Pipeline这一段，Netty的代码如下：
public abstract class AbstractNioByteChannel extends AbstractNioChannel
{
protected class NioByteUnsafe extends AbstractNioUnsafe {
@Override
public final void read() {
final ChannelPipeline pipeline = pipeline();
……
// 读取结果.
byteBuf = allocHandle.allocate(allocator);
……
int localReadAmount = doReadBytes(byteBuf);
………
// 通过pipeline dispatch（分发）结果到Handler
pipeline.fireChannelRead(byteBuf);
……
}
//通过重写newUnsafe() 方法
//取得内部类NioSocketChannelUnsafe的实例
@Override
protected AbstractNioUnsafe newUnsafe() {
return new NioSocketChannelUnsafe();
}
…
}
1.6. Head是入站流程的起点
前面分析到，Pipeline中，入站事件处理流程的处理到的第一个Context是Head。
这一点，从DefaultChannelPipeline 源码可以得到验证，如下所示：
public class DefaultChannelPipeline implements ChannelPipeline
{
…
@Override
public final ChannelPipeline fireChannelRead(Object msg) {
AbstractChannelHandlerContext.invokeChannelRead(head, msg);
return this;
}
…
}
Pipeline将内部链表的head头作为参数，传入了invokeChannelRead的静态方法中。
就像开动了流水线的开关，开启了整个的流水线的循环处理。
1.7. 小迭代的五个动作
一个Pipeline上有多个InBound Handler，每一个InBound Handler的处理，可以算做一次迭代，也可以说成小迭代。
每一个迭代，有四个动作。这个invokeIN_EVT方法，是整个四个动作的小迭代的起点。
四个动作，分别如下：
（1）invokeChannelRead(next, msg)
（2）context.invokeIN_EVT(msg);
（3）handler.IN_EVT
（4）context.fireIN_EVT(msg);
（5）Connect.findContextInbound()
局部的流程图如下：
整个五个动作中，只有第三步在Handler中，其他的四步都在Context中完成。
1.8. 流水线小迭代的第一步
invokeChannelRead（next，msg） 静态方法，非常关键，其重要作为是：作为流水线迭代处理的每一轮循环小迭代的第一步。在Context的抽象基类中，源码如下：
abstract class AbstractChannelHandlerContext extends DefaultAttributeMap implements ChannelHandlerContext
{
//...
static void invokeChannelRead(final AbstractChannelHandlerContext next, final Object msg) {
……
next.invokeChannelRead(msg);
……
}
//...
}
其次，这个方法没有啥特别。只是做了一个二转。将处理传递给context实例，调用context实例的invokeChannelRead方法。强调一下，使用了同一个名称哈。但是后边的invokeChannelRead，是一个实例方法，而且只有一个参数。
1.9. context.invokeIN_EVT实例方法
流水线小迭代第二步，触发当前的Context实例的IN_EVT操作。
对于IN_EVT为ChannelRead的时候，第二步方法为invokeChannelRead，其源码如下：
abstract class AbstractChannelHandlerContext extends DefaultAttributeMap implements ChannelHandlerContext
{
private void invokeChannelRead(Object msg) {
……
((ChannelInboundHandler) handler()).channelRead(this, msg);
……
}
}
这一步很简单，就是将context和msg（byteBuf）作为参数，传递给Handler实例，完成业务处理。
在Handler中，可以获取到以上两个参数实例，作为业务处理的输入。在业务Handler中的IN_EVT方法中，可以写自己的业务处理逻辑。
1.10. 默认的handler.IN_EVT 入站处理操作
流水线小迭代第三步，完后Context实例中Handler的IN_EVT业务操作。
如果Handler中的IN_EVT方法中没有写业务逻辑，则Netty提供了默认的实现。默认源码在ChannelInboundHandlerAdapter 适配器类中。
当IN_EVT为ChannelRead的时候，第三步的默认实现源码如下：
public class ChannelInboundHandlerAdapter extends ChannelHandlerAdapter implements ChannelInboundHandler
{
//默认的通道读操作
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
ctx.fireChannelRead(msg);
}
//...
}
读完源码发现，这份默认源码，都没有做什么实际的处理。
唯一的干的活，就是调用ctx.fireChannelRead(msg)，将msg通过context再一次发射出去。
进入第四步。
1.11. context.fireIN_EVT再发射消息
流水线小迭代第四步，寻找下家，触发下一家的入站处理。
整个是流水线的流动的关键一步，实现了向下一个HandlerContext的流动。
源码如下：
abstract class AbstractChannelHandlerContext extends DefaultAttributeMap implements ChannelHandlerContext
{
private final boolean inbound;
private final boolean outbound;
//...
@Override
public ChannelHandlerContext fireChannelRead(final Object msg) {
invokeChannelRead(findContextInbound(), msg);
return this;
}
//..
}
第四步还是在ChannelInboundHandlerAdapter 适配器中定义。首先通过第五步，找到下一个Context，然后回到小迭代的第一步，完成了小迭代的一个闭环。
这一步，对于业务Handler而言，很重要。
在用户Handler中，如果当前 Handler 需要将此事件继续传播下去，则调用contxt.fireIN_EVT方法。如果不这样做, 那么此事件的流水线传播会提前终止。
1.12. findContextInbound()找下家
第五步是查找下家。
代码如下：
public class ChannelInboundHandlerAdapter extends ChannelHandlerAdapter implements ChannelInboundHandler
{
//...
private AbstractChannelHandlerContext findContextInbound() {
AbstractChannelHandlerContext ctx = this;
do {
ctx = ctx.next;
} while (!ctx.inbound);
return ctx;
}
}
这个是一个标准的链表查询操作。this表示当前的context，this.next表示下一个context。通过while循环，一直往流水线的下边找，知道查找到下一个入站Context为止。
假定流水下如下图所示：
在上图中，如果当前context是head，则下一个是Decoder；如果当前context是Decoder，则下一个是Business；如果当前context是Business，则下一个是Tail。
第五步，是在第四步调用的。
找到之后，第四步通过 invokeChannelRead(findContextInbound(), msg)这个静态方法的调用，由回到小迭代的第一步，开始下一轮小的运行。
1.13. 最后一轮Context处理
我们在前面讲到，在Netty中，Tail是最后一个IN boundContext。
final class TailContext extends AbstractChannelHandlerContext implements ChannelInboundHandler {
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
onUnhandledInboundMessage(msg);
}
protected void onUnhandledInboundMessage(Object msg) {
//…
//释放msg的引用计数
ReferenceCountUtil.release(msg);
//..
}
}
在最后的一轮入站处理中。Tail没有做任何的业务逻辑，仅仅是对msg 释放一次引用计数。
这个msg ，是从channel 入站源头的过来的byteBuf。有可能是引用计数类型（ReferenceCounted）类型的缓存，则需要释放其引用。如果不是ReferenceCounted，则什么也不做。
关于缓存的引用计数，后续再开文章做专题介绍。
1.14. 小结
对入站（Inbound ）事件的处理流程，做一下小节：
Inbound 事件是通知事件，当某件事情已经就绪后，从Java IO 通知上层Netty Channel。
Inbound 事件源头是 Channel内部的UNSafe；
Inbound 事件启动者是 Channel，通过Pipeline. fireIN_EVT启动。
Inbound 事件在 Pipeline 中传输方向是从 head 到 tail。
Inbound 事件最后一个的处理者是 TailContext, 并且其处理方法是空实现。如果没有其他的处理者，则对Inbound ，TailContext是唯一的处理者。
Inbound 事件的向后传递方法是contxt.fireIN_EVT方法。在用户Handler中，如果当前 Handler 需要将此事件继续传播下去，则调用contxt.fireIN_EVT方法。如果不这样做, 那么此事件的流水线传播会提前终止。
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