Netty 源码解析 -- 服务端启动过程
本文通过阅读Netty源码,解析Netty服务端启动过程。
源码分析基于Netty 4.1
Netty是一个高性能的网络通信框架,支持NIO,OIO等多种IO模式。通常,我们都是使用NIO模式,该系列文章也是解析Netty下NIO模式的实现。
首先,看一个NIO网络通信示意图
Netty中NIO网络通信过程在此基础上实现,下面来看一下具体实现。
Channel
首先,看一下Netty中的通道Channel,它代表了一个能完成IO操作的通道,提供read, write, connect, bind等方法。
Channel中维护了一个Unsafe对象,用于完成数据传输操作(这类操作通常由IO事件触发,而不是用户触发)。
SocketChannel代表Socket连接的网络通道,面向流,支持读写操作。
ServerChannel表示可以监听新连接的通道,ServerSocketChannel代表实现TCP/IP协议的ServerChannel。
AbstractChannel提供基础逻辑实现,它维护了Unsafe和ChannelPipeline对象,并委托这两个对象完成实际工作。同时,它也提供newUnsafe,newChannelPipeline方法给子类构造他们需要的对象。
AbstractUnsafe是AbstractChannel的内部类,实现了register,bind,disconnect等方法的基础逻辑。
ChannelPipeline可以理解为拦截器链表,维护了一个ChannelHandler链表,ChannelHandler即具体拦截器,负责逻辑处理。
DefaultChannelPipeline是ChannelPipeline接口的默认实现。Netty中Nio相关的Channel都使用它。
可以这样理解,Unsafe负责数据传输,而ChannelPipeline负责逻辑处理。
AbstractNioChannel实现了NIO基础逻辑,如维护(jvm)SelectableChannel,(jvm)SelectionKey等对象,还有一个很关键的selectionKey,代表关注的NIO事件。
AbstractNioUnsafe是AbstractNioChannel内部类,继承于AbstractUnsafe,并实现Unsafe另一个子接口NioUnsafe,添加了SelectableChannel相关的方法,如finishConnect,read。
AbstractNioChannel的子类可以分成ServerChannel实现类和SocketChannel实现类。
ServerChannel实现类是AbstractNioMessageChannel,newUnsafe方法返回的NioMessageUnsafe。
NioServerSocketChannel是AbstractNioMessageChannel子类,实现TCP/IP协议。
SocketChannel实现类是AbstractNioByteChannel,newUnsafe方法返回的NioByteUnsafe。
NioSocketChannel是AbstractNioByteChannel子类,实现TCP/IP协议。
Channel各实现类关系如下
Netty中将接口划分得很细微,最好大家可以按功能层次理解各接口代表含义以及实现类的逻辑。
以免后续看源码时混淆各接口功能。
服务端启动
首先简单了解一下EventLoop,可以理解为它负责处理网络事件和异步任务,后面有对应文章详细解析。
EventLoopGroup则是一组EventLoop集合,它会将操作委托给其中一个EventLoop处理。
Netty的服务端启动引导类ServerBootstrap中维护了两个EventLoopGroup,EventLoopGroup#childGroup和AbstractBootstrap#group。
AbstractBootstrap#group负责管理注册于其上的ServerChannel,处理这些Channel上发生的Accept事件,并将生成的SocketChannel注册到EventLoopGroup#childGroup。
EventLoopGroup#childGroup处理这些SocketChannel上发生的Read,Write事件。
为了方便,下文我将AbstractBootstrap#group称为AcceptGroup,ServerBootstrap#childGroup称为ReadGroup。
这些设计来自Reactor模式,详细可以见java.util.concurrent包的作者Doug Lea的《Scalable IO in Java》。
AbstractBootstrap#bind -> AbstractBootstrap#doBind
#1
初始化及注册ServerChannel。
initAndRegister方法返回ChannelFuture,ChannelFuture继承了(jvm)Future,代表IO异步处理结果,并且可以绑定回调函数,异步IO处理完成Netty后会触发这些回调函数。
我们要有这个意识,Netty是一个异步框架,所有的IO操作都是异步的(充分利用cpu),IO方法不会等待实际IO操作完成,而是返回ChannelFuture。
待实际IO完成后,Netty再触发ChannelFuture中的回调函数处理后续逻辑。
ChannelPromise是一种特殊的ChannelFuture,提供更新操作结果的方法(setSuccess,setFailure方法),一般提供给IO方法作为参数(Unsafe中很多方法都有该参数),IO操作完成后,会调用这些方法更新操作结果。
#2
注册完成后,绑定ServerChannel监听端口。
AbstractBootstrap#initAndRegister
#1
构造ServerChannel
AbstractBootstrap#channelFactory是一个ReflectiveChannelFactory对象,他通过反射生成Channel。
ServerBootstrap#channel方法负责构造ReflectiveChannelFactory,并指定具体的ServerChannel类。
(所以我们要通过该方法指定NioServerSocketChannel.class -- new ServerBootstrap().channel(NioServerSocketChannel.class)
)
#2
初始化ServerChannel,该方法由子类实现
#3
注册Channel到AcceptGroup,注意,config().group()
返回AcceptGroup。
#4
如果IO操作发生了异常,需要关闭Channel。
NioServerSocketChannel#构造方法 -> NioServerSocketChannel#newSocket方法
使用(jvm)SelectorProvider,构造一个(jvm)ServerSocketChannel。
这里完成了NIO网络通信第一步。
ServerBootstrap#init
#1
设置ServerChannel的Option和Attribute属性。
#2
给ServerChannel的ChannelPipeline添加一个ChannelInitializer。
ChannelInitializer是一种特殊的ChannelHandler,initChannel方法负责完成一些Channel初始化工作,该方法的触发可以参考下文的延迟任务。
#3
上一步骤的ChannelInitializer负责给ServerChannel的ChannelPipeline添加一个ServerBootstrapAcceptor,并将SocketChannel的相关配置(childHandler,currentChildHandler,currentChildOptions,currentChildAttrs)交给它,ServerBootstrapAcceptor用于处理Accept事件,文章后面会解析。
AbstractBootstrap#initAndRegister方法#3
步骤 -> SingleThreadEventLoop#register ->(通过Channel调用Unsafe)AbstractUnsafe#register
eventLoop.inEventLoop()
判断当前线程是否为EventLoop执行线程。
如果是,直接执行操作 -- 调用register0方法处理。
否则,提交一个任务给EventLoop。
这是Netty中提交异步任务的通用格式,Netty中有大量类似代码。
注意,这里是异步的关键,将当前操作作为一个异步任务,提交给EventLoop处理,而不需要阻塞当前线程。
EventLoop实际上是一个(jvm)EventExecutor,通过execute方法可以给它任务。
AbstractUnsafe#register0
#1
由子类实现具体注册操作
#2
执行DefaultChannelPipeline中的延迟任务
#3
设置promise状态为Success
#4
触发ChannelPipeline#fireChannelRegistered
#5
如果是首次注册,触发ChannelPipeline#fireChannelActive
isActive()
方法判断当前Channel是否活跃
NioSocketChannel中调用SocketChannel#isOpen和SocketChannel#isConnected判断
NioServerSocketChannel中调用SelectableChannel#isOpen和ServerSocket#isBound方法判断
#6
异常处理,关闭Channel,设置promise状态为Failure。
AbstractUnsafe#doRegister -> AbstractNioChannel#doRegister
#1
javaChannel()
获取(jvm)SelectableChannel,
eventLoop().unwrappedSelector()
获取AcceptGroup维护的Selector(jvm)
这里将(jvm)ServerSocketChannel注册到(jvm)Selector,但还没有注册关注事件Key。
从Netty层面看,将Channel注册到EventLoop中。
注意,这里将当前NioServerSocketChannel作为channle#attachment,后面使用它来判断是否为IO事件。
AbstractUnsafe#register0方法#5
步骤 -> DefaultChannelPipeline#fireChannelActive -> HeadContext#channelActive
这里涉及ChannelPipeline的事件传播,后面解析ChannelPipeline时详细说明。
HeadContext#channelActive会调用readIfIsAutoRead方法,判断是否开启autoRead,开启则自动触发read事件处理方法。
HeadContext#readIfIsAutoRead -> DefaultChannelPipeline#read -> HeadContext#read -> AbstractUnsafe#beginRead -> AbstractNioChannel#doBeginRead
#1
selectionKey是Selector中关注事件集合(由AbstractNioChannel#doRegister方法中生成)
#2
这里注册了关注事件readInterestOp。
那么readInterestOp的值是什么呢? 它在AbstractNioChannel#构造方法中赋值,真正的值来自NioServerSocketChannel构造方法,可以看到,它在ServerChannel中固定为SelectionKey.OP_ACCEPT。
到这里,注册ServerChannel的关注事件OP_ACCEPT。
这里完成NIO网络通信第二步,注册关注事件。
AbstractBootstrap.doBind0 -> AbstractChannel#bind -> DefaultChannelPipeline#bind -> HeadContext#bind -> AbstractUnsafe#bind -> NioServerSocketChannel#doBind
根据不同JDK版本,调用不同的bind方法。
这里完成了NIO网络通信第三步,分配套接字地址,开始socket监听。
Accept事件处理
下面我们来看一下AcceptGroup中如何处理ServerChannel上监听到的accept事件。
这里涉及EventLoop的相关内容,后面有对应解析文章。
现在直接看Accept事件的处理方法NioMessageUnsafe#read
#1
调用NioServerSocketChannel#doReadMessages,处理Accept事件。
注意,readBuf是一个List<Object>
,用于接收处理结果。
allocHandle.continueReading()
,判断是否需要继续执行,这里都是返回false
#2
触发DefaultChannelPipeline#fireChannelRead
#3
触发DefaultChannelPipeline#fireChannelReadComplete
NioServerSocketChannel#doReadMessages
#1
调用(jvm)ServerSocketChannel#accept方法,生成的(jvm)SocketChannel
#2
使用(jvm)SocketChannel构造NioSocketChannel
前面说过,ServerChannel注册到AcceptGroup时,会给ServerChannel的ChannelPipeline添加一个ServerBootstrapAcceptor,用于处理accept事件。
NioMessageUnsafe#read方法#2
步骤 -> DefaultChannelPipeline#fireChannelRead -> ServerBootstrapAcceptor#channelRead
#1
注意msg参数,就是NioServerSocketChannel#doReadMessages方法中生成的NioSocketChannel。
上面说了,ServerBootstrap#init方法中会将ServerBootstrap中SocketChannel相关配置交给ServerBootstrapAcceptor。
这里配置NioSocketChannel的Options,Attribute,并将childHandler添加给pipeline。
#2
将NioSocketChannel注册到ReadGroup中,注册过程类似于NioServerSocketChannel注册到AcceptGroup,调用AbstractUnsafe#register方法实现。
但有一点不同,调用AbstractNioChannel#doBeginRead方法注册关注事件时,关注事件(即AbstractNioChannel#readInterestOp),是来自子类AbstractNioByteChannel#构造方法,固定为SelectionKey.OP_READ。
到这里,(jvm)SocketChannel已经注册到ReadGroupo维护中(jvm)Selector,关注的事件Key为read。
延迟任务
前面说了,ServerBootstrap#init方法#2
步骤中ChannelInitializer#initChannel方法由延迟任务触发。现在看一下延迟任务的实现。
添加延迟任务
DefaultChannelPipeline#addFirst
#1
构造一个ChannelHandlerContext并添加到拦截链表首部位置
#2
当前Channel未注册,调用DefaultChannelPipeline#callHandlerCallbackLater,添加一个延迟任务
#3
当前Channel已注册,调用DefaultChannelPipeline#callHandlerAdded0,完成ChannelHandler添加扩展操作。
DefaultChannelPipeline#callHandlerCallbackLater方法,将当前ChannelHandlerContext转化为一个延迟任务PendingHandlerAddedTask或者PendingHandlerRemovedTask,加到DefaultChannelPipeline#pendingHandlerCallbackHead列表中。
DefaultChannelPipeline#addLast/removeFirst/removeLast同样有类似处理延迟任务的逻辑。
执行延迟任务
AbstractUnsafe#register0方法#2
步骤 -> DefaultChannelPipeline#callHandlerAddedForAllHandlers,该方法会执行pendingHandlerCallbackHead列表所有任务,调用其execute方法。
PendingHandlerAddedTask#execute会调用ChannelHandler#handlerAdded,完成ChannelHandler添加扩展工作。
PendingHandlerRemovedTask#execute则调用ChannelHandler#handlerRemoved,完成ChannelHandler移除善后工作。
ServerBootstrap#init方法#2
步骤给ServerChannel的ChannelPipeline添加一个ChannelInitializer,它是Netty提供的工具类,实现了ChannelHandler#handlerAdded方法,实现逻辑是如果当前Channel已注册,则调用initChannel方法,否则不处理(所以我们常常利用该接口在注册完成后添加新的ChannelHandler给ChannelHandler)。
回到ServerBootstrap#init方法,由于该方法执行时Channel未注册,所以会生成延迟任务,由AbstractUnsafe#register0方法#2
步骤触发完成实际操作,将ServerBootstrapAcceptor添加到ServerChannel的ChannelPipeline中。
最后说一下本文提到的netty组件。
Channel,通信通道,是Netty通信的基础组件。
EventLoop,ChannelPipeline是Netty中比较重要的组件,后面有对应的文章解析。
Unsafe负责实际数据传输工作,在解析Netty流程时会注解介绍它。
ChannelFuture,ChannelPromise代表Netty异步IO结果,通过回调函数执行后续操作。
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