Netty 源码解析（五）: Netty 的线程池分析

今天是猿灯塔“365 篇原创计划”第五篇。接下来的时间灯塔君持续更新 Netty 系列一共九篇

Netty 源码解析（一）: 开始

Netty 源码解析（二）: Netty 的 Channel

Netty 源码解析（三）: Netty 的 Future 和 Promise

Netty 源码解析（四）: Netty 的 ChannelPipeline

当前：Netty 源码解析（五）: Netty 的线程池分析

Netty 源码解析（六）: Channel 的 register 操作

Netty 源码解析（七）: NioEventLoop 工作流程

Netty 源码解析（八）: 回到 Channel 的 register 操作

Netty 源码解析（九）: connect 过程和 bind 过程分析

今天呢！灯塔君跟大家讲：

Netty 的线程池分析

Netty 中的线程池 EventLoopGroup

接下来，我们来分析 Netty 中的线程池。Netty 中的线程池比较不好理解，因为它的类比较多，而且它们之间的关系错综复杂。看下图，感受下 NioEventLoop 类和 NioEventLoopGroup 类的继承结构：

这张图我按照继承关系整理而来，大家仔细看一下就会发现，涉及到的类确实挺多的。本节来给大家理理清楚这部分内容。

首先，我们说的 Netty 的线程池，指的就是 NioEventLoopGroup 的实例；线程池中的单个线程，指的是右边 NioEventLoop 的实例。

回顾下我们第一节介绍的 Echo 例子，客户端和服务端的启动代码中，最开始我们总是先实例化 NioEventLoopGroup：

// EchoClient 代码最开始：

EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();

// EchoServer 代码最开始：

EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);

EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

下面，我们就从 NioEventLoopGroup 的源码开始进行分析。我们打开 NioEventLoopGroup 的源码，可以看到，NioEventLoopGroup 有多个构造方法用于参数设置，最简单地，我们采用无参构造函数，或仅仅设置线程数量就可以了，其他的参数采用默认值。

比如上面的代码中，我们只在实例化 bossGroup 的时候指定了参数，代表该线程池需要一个线程。

publicNioEventLoopGroup(){this(0);}publicNioEventLoopGroup(intnThreads){this(nThreads,(Executor)null);}...//参数最全的构造方法publicNioEventLoopGroup(intnThreads,Executorexecutor,EventExecutorChooserFactorychooserFactory,finalSelectorProviderselectorProvider,finalSelectStrategyFactoryselectStrategyFactory,finalRejectedExecutionHandlerrejectedExecutionHandler){//调用父类的构造方法super(nThreads,executor,chooserFactory,selectorProvider,selectStrategyFactory,rejectedExecutionHandler);}

我们来稍微看一下构造方法中的各个参数：

• nThreads：这个最简单，就是线程池中的线程数，也就是 NioEventLoop 的实例数量。

• executor：我们知道，我们本身就是要构造一个线程池（Executor），为什么这里传一个 executor 实例呢？它其实不是给线程池用的，而是给 NioEventLoop 用的，以后再说。

• chooserFactory：当我们提交一个任务到线程池的时候，线程池需要选择（choose）其中的一个线程来执行这个任务，这个就是用来实现选择策略的。

• selectorProvider：这个简单，我们需要通过它来实例化 JDK 的 Selector，可以看到每个线程池都持有一个 selectorProvider 实例。

• selectStrategyFactory：这个涉及到的是线程池中线程的工作流程，在介绍 NioEventLoop 的时候会说。

• rejectedExecutionHandler：这个也是线程池的好朋友了，用于处理线程池中没有可用的线程来执行任务的情况。在 Netty 中稍微有一点点不一样，这个是给 NioEventLoop 实例用的，以后我们再详细介绍。

这里介绍这些参数是希望大家有个印象而已，大家发现没有，在构造 NioEventLoopGroup 实例时的好几个参数，都是用来构造 NioEventLoop 用的。下面，我们从 NioEventLoopGroup 的无参构造方法开始，跟着源码走：

publicNioEventLoopGroup(){this(0);}
publicNioEventLoopGroup(){this(0);}

然后一步步走下去，到这个构造方法：

publicNioEventLoopGroup(intnThreads,ThreadFactorythreadFactory,finalSelectorProviderselectorProvider,finalSelectStrategyFactoryselectStrategyFactory){
super(nThreads,threadFactory,selectorProvider,selectStrategyFactory,RejectedExecutionHandlers.reject());}

大家自己要去跟一下源码，这样才知道中间设置了哪些默认值，下面这几个参数都被设置了默认值：

• selectorProvider = SelectorProvider.provider()这个没什么好说的，调用了 JDK 提供的方法

• selectStrategyFactory = DefaultSelectStrategyFactory.INSTANCE 这个涉及到的是线程在做 select 操作和执行任务过程中的策略选择问题，在介绍 NioEventLoop 的时候会用到。

• rejectedExecutionHandler = RejectedExecutionHandlers.reject()大家进去看一下 reject() 方法，也就是说，Netty 选择的默认拒绝策略是：抛出异常

跟着源码走，我们会来到父类 MultithreadEventLoopGroup 的构造方法中：

protectedMultithreadEventLoopGroup(intnThreads,ThreadFactorythreadFactory,Object...args){super(nThreads==0?DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS:nThreads,threadFactory,args);}

这里我们发现，如果采用无参构造函数，那么到这里的时候，默认地 nThreads 会被设置为 CPU 核心数 *2。大家可以看下 DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS 的默认值，以及 static 代码块的设值逻辑。我们继续往下走：

protectedMultithreadEventExecutorGroup(intnThreads,ThreadFactorythreadFactory,Object...args){this(nThreads,threadFactory==null?null:newThreadPerTaskExecutor(threadFactory),args);

到这一步的时候，new ThreadPerTaskExecutor(threadFactory) 会构造一个 executor。

我们现在还不知道这个 executor 怎么用。这里我们先看下它的源码：public final class ThreadPerTaskExecutor implements Executor {private finalThreadFactorythreadFactory;public ThreadPerTaskExecutor(ThreadFactorythreadFactory) { if(threadFactory==null){throw newNullPointerException("threadFactory");} this.threadFactory=threadFactory;}@Overridepublic void execute(Runnablecommand) {//为每个任务新建一个线程threadFactory.newThread(command).start();}}Executor 作为线程池的最顶层接口， 我们知道，它只有一个 execute(runnable) 方法，从上面我们可以看到，实现类 ThreadPerTaskExecutor 的逻辑就是每来一个任务，新建一个线程。我们先记住这个，前面也说了，它是给 NioEventLoop 用的，不是给 NioEventLoopGroup 用的。

.一步设置完了 executor，我们继续往下看：

protectedMultithreadEventExecutorGroup(intnThreads,Executorexecutor,Object...args){this(nThreads,executor,DefaultEventExecutorChooserFactory.INSTANCE,args);}这一步设置了 chooserFactory，用来实现从线程池中选择一个线程的选择策略。

ChooserFactory 的逻辑比较简单，我们看下 DefaultEventExecutorChooserFactory 的实现：OverridepublicEventExecutorChoosernewChooser(EventExecutor[]executors) {if(isPowerOfTwo(executors.length)){ return newPowerOfTwoEventExecutorChooser(executors);}else{return newGenericEventExecutorChooser(executors);}}这里设置的策略也很简单：1、如果线程池的线程数量是 2^n，采用下面的方式会高效一些：@OverridepublicEventExecutornext() {returnexecutors[idx.getAndIncrement()&executors.length-1];}2、如果不是，用取模的方式：@OverridepublicEventExecutornext() {returnexecutors[Math.abs(idx.getAndIncrement()%executors.length)];}

走了这么久，我们终于到了一个干实事的构造方法中了：

protectedMultithreadEventExecutorGroup(intnThreads,Executorexecutor,EventExecutorChooserFactorychooserFactory,Object...args){if(nThreads<=0){thrownewIllegalArgumentException(String.format("nThreads:%d(expected:>0)",nThreads));}
// executor 如果是 null，做一次和前面一样的默认设置。if(executor==null){executor=newThreadPerTaskExecutor(newDefaultThreadFactory());}
//这里的children数组非常重要，它就是线程池中的线程数组，这么说不太严谨，但是就大概这个意思children=newEventExecutor[nThreads];
//下面这个for循环将实例化children数组中的每一个元素for(inti=0;i<nThreads;i++){booleansuccess=false;try{//实例化！！！！！！children[i]=newChild(executor,args);success=true;}catch(Exceptione){//TODO:ThinkaboutifthisisagoodexceptiontypethrownewIllegalStateException("failedtocreateachildeventloop",e);}finally{//如果有一个child实例化失败，那么success就会为false，然后进入下面的失败处理逻辑if(!success){//把已经成功实例化的“线程”shutdown，shutdown是异步操作for(intj=0;j<i;j++){children[j].shutdownGracefully();}
//等待这些线程成功shutdownfor(intj=0;j<i;j++){EventExecutore=children[j];try{while(!e.isTerminated()){e.awaitTermination(Integer.MAX_VALUE,TimeUnit.SECONDS);}}catch(InterruptedExceptioninterrupted){//把中断状态设置回去，交给关心的线程来处理.Thread.currentThread().interrupt();break;}}}}}//================================================//===到这里，就是代表上面的实例化所有线程已经成功结束===//================================================
//通过之前设置的chooserFactory来实例化Chooser，把线程池数组传进去，//这就不必再说了吧，实现线程选择策略chooser=chooserFactory.newChooser(children);
//设置一个Listener用来监听该线程池的termination事件//下面的代码逻辑是：给池中每一个线程都设置这个 listener，当监听到所有线程都 terminate 以后，这个线程池就算真正的 terminate 了。finalFutureListener<Object>terminationListener=newFutureListener<Object>(){@OverridepublicvoidoperationComplete(Future<Object>future)throwsException{if(terminatedChildren.incrementAndGet()==children.length){terminationFuture.setSuccess(null);}}};for(EventExecutore:children){e.terminationFuture().addListener(terminationListener);}
//设置readonlyChildren，它是只读集合，以后用到再说Set<EventExecutor>childrenSet=newLinkedHashSet<EventExecutor>(children.length);Collections.addAll(childrenSet,children);readonlyChildren=Collections.unmodifiableSet(childrenSet);}

上面的代码非常简单吧，没有什么需要特别说的，接下来，我们来看看 newChild() 这个方法，这个方法非常重要，它将创建线程池中的线程。

我上面已经用过很多次"线程"这个词了，它可不是 Thread 的意思，而是指池中的个体，后面我们会看到每个"线程"在什么时候会真正创建 Thread 实例。反正每个 NioEventLoop 实例内部都会有一个自己的 Thread 实例，所以把这两个概念混在一起也无所谓吧。

newChild(…) 方法在 NioEventLoopGroup 中覆写了，上面说的"线程"其实就是 NioEventLoop：

@OverrideprotectedEventLoopnewChild(Executorexecutor,Object...args)throwsException{returnnewNioEventLoop(this,executor,(SelectorProvider)args[0],((SelectStrategyFactory)args[1]).newSelectStrategy(),(RejectedExecutionHandler)args[2]);}
它调用了 NioEventLoop 的构造方法：

NioEventLoop(NioEventLoopGroupparent,Executorexecutor,SelectorProviderselectorProvider,SelectStrategystrategy,RejectedExecutionHandlerrejectedExecutionHandler){//调用父类构造器super(parent,executor,false,DEFAULT_MAX_PENDING_TASKS,rejectedExecutionHandler);if(selectorProvider==null){thrownewNullPointerException("selectorProvider");}if(strategy==null){thrownewNullPointerException("selectStrategy");}provider=selectorProvider;//开启 NIO 中最重要的组件：SelectorfinalSelectorTupleselectorTuple=openSelector();selector=selectorTuple.selector;unwrappedSelector=selectorTuple.unwrappedSelector;selectStrategy=strategy;}

我们先粗略观察一下，然后再往下看：

• 在 Netty 中，NioEventLoopGroup 代表线程池，NioEventLoop 就是其中的线程。

• 线程池 NioEventLoopGroup 是池中的线程 NioEventLoop 的 parent，从上面的代码中的取名可以看出。

• 每个 NioEventLoop 都有自己的 Selector，上面的代码也反应了这一点，这和 Tomcat 中的 NIO 模型有点区别。

• executor、selectStrategy 和 rejectedExecutionHandler 从 NioEventLoopGroup 中一路传到了 NioEventLoop 中。

这个时候，我们来看一下 NioEventLoop 类的属性都有哪些，我们先忽略它继承自父类的属性，单单看它自己的：

privateSelectorselector;privateSelectorunwrappedSelector;privateSelectedSelectionKeySetselectedKeys;privatefinalSelectorProviderprovider;privatefinalAtomicBooleanwakenUp=newAtomicBoolean();privatefinalSelectStrategyselectStrategy;privatevolatileintioRatio=50;privateintcancelledKeys;privatebooleanneedsToSelectAgain;

结合它的构造方法我们来总结一下：

• provider：它由 NioEventLoopGroup 传进来，前面我们说了一个线程池有一个 selectorProvider，用于创建 Selector 实例

• selector：虽然我们还没看创建 selector 的代码，但我们已经知道，在 Netty 中 Selector 是跟着线程池中的线程走的。也就是说，并非一个线程池一个 Selector 实例，而是线程池中每一个线程都有一个 Selector 实例。在无参构造过程中，我们发现，Netty 设置线程个数是 CPU 核心数的两倍，假设我们的机器 CPU 是 4 核，那么对应的就会有 8 个 Selector 实例。

• selectStrategy：select 操作的策略，这个不急。

• ioRatio：这是 IO 任务的执行时间比例，因为每个线程既有 IO 任务执行，也有非 IO 任务需要执行，所以该参数为了保证有足够时间是给 IO 的。这里也不需要急着去理解什么 IO 任务、什么非 IO 任务。

然后我们继续走它的构造方法，我们看到上面的构造方法调用了父类的构造器，它的父类是 SingleThreadEventLoop。

protectedSingleThreadEventLoop(EventLoopGroupparent,Executorexecutor,booleanaddTaskWakesUp,intmaxPendingTasks,RejectedExecutionHandlerrejectedExecutionHandler){super(parent,executor,addTaskWakesUp,maxPendingTasks,rejectedExecutionHandler);
//我们可以直接忽略这个东西，以后我们也不会再介绍它tailTasks=newTaskQueue(maxPendingTasks);}

SingleThreadEventLoop 这个名字很诡异有没有？然后它的构造方法又调用了父类 SingleThreadEventExecutor 的构造方法：

protectedSingleThreadEventExecutor(EventExecutorGroupparent,Executorexecutor,booleanaddTaskWakesUp,intmaxPendingTasks,RejectedExecutionHandlerrejectedHandler){super(parent);this.addTaskWakesUp=addTaskWakesUp;this.maxPendingTasks=Math.max(16,maxPendingTasks);this.executor=ObjectUtil.checkNotNull(executor,"executor");//taskQueue，这个东西很重要，提交给NioEventLoop的任务都会进入到这个taskQueue中等待被执行//这个queue的默认容量是16taskQueue=newTaskQueue(this.maxPendingTasks);rejectedExecutionHandler=ObjectUtil.checkNotNull(rejectedHandler,"rejectedHandler");}

到这里就更加诡异了，NioEventLoop 的父类是 SingleThreadEventLoop，而 SingleThreadEventLoop 的父类是 SingleThreadEventExecutor，它的名字告诉我们，它是一个 Executor，是一个线程池，而且是 Single Thread 单线程的。也就是说，线程池 NioEventLoopGroup 中的每一个线程 NioEventLoop 也可以当做一个线程池来用，只不过它只有一个线程。这种设计虽然看上去很巧妙，不过有点反人类的样子。上面这个构造函数比较简单：

• 设置了 parent，也就是之前创建的线程池 NioEventLoopGroup 实例

• executor：它是我们之前实例化的 ThreadPerTaskExecutor，我们说过，这个东西在线程池中没有用，它是给 NioEventLoop 用的，马上我们就要看到它了。提前透露一下，它用来开启 NioEventLoop 中的线程（Thread 实例）。

• taskQueue：这算是该构造方法中新的东西，它是任务队列。我们前面说过，NioEventLoop 需要负责 IO 事件和非 IO 事件，通常它都在执行 selector 的 select 方法或者正在处理 selectedKeys，如果我们要 submit 一个任务给它，任务就会被放到 taskQueue 中，等它来轮询。该队列是线程安全的 LinkedBlockingQueue，默认容量为 16。

• rejectedExecutionHandler：taskQueue 的默认容量是 16，所以，如果 submit 的任务堆积了到了 16，再往里面提交任务会触发 rejectedExecutionHandler 的执行策略。

还记得默认策略吗：抛出 RejectedExecutionException 异常。在 NioEventLoopGroup 的默认构造中，它的实现是这样的：private static finalRejectedExecutionHandlerREJECT=newRejectedExecutionHandler(){ @Override publicvoidrejected(Runnabletask,SingleThreadEventExecutorexecutor) { throw newRejectedExecutionException();}};

然后，我们再回到 NioEventLoop 的构造方法：

NioEventLoop(NioEventLoopGroupparent,Executorexecutor,SelectorProviderselectorProvider,SelectStrategystrategy,RejectedExecutionHandlerrejectedExecutionHandler){//我们刚刚说完了这个super(parent,executor,false,DEFAULT_MAX_PENDING_TASKS,rejectedExecutionHandler);if(selectorProvider==null){thrownewNullPointerException("selectorProvider");}if(strategy==null){thrownewNullPointerException("selectStrategy");}provider=selectorProvider;//创建selector实例finalSelectorTupleselectorTuple=openSelector();selector=selectorTuple.selector;unwrappedSelector=selectorTuple.unwrappedSelector;selectStrategy=strategy;}

可以看到，最重要的方法其实就是 openSelector() 方法，它将创建 NIO 中最重要的一个组件 Selector。在这个方法中，Netty 也做了一些优化，这部分我们就不去分析它了。到这里，我们的线程池 NioEventLoopGroup 创建完成了，并且实例化了池中的所有 NioEventLoop 实例。同时，大家应该已经看到，上面并没有真正创建 NioEventLoop 中的线程（没有创建 Thread 实例）。提前透露一下，创建线程的时机在第一个任务提交过来的时候，那么第一个任务是什么呢？是我们马上要说的 channel 的 register 操作。

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