netty探索之旅三

下面就开始我们的探索之旅

我下载的源码的版本是netty4.0。通过netty源码中自带的例子我们就可以看到netty是如何运行起来的，首先我们来探索客户端。

源码中的客户端启动代码，
路径：example\src\main\java\io\netty\example\echo\EchoClient

final SslContext sslCtx;
        if (SSL) {
            sslCtx = SslContextBuilder.forClient()
                .trustManager(InsecureTrustManagerFactory.INSTANCE).build();
        } else {
            sslCtx = null;
        }

        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap b = new Bootstrap();
            b.group(group)
             .channel(NioSocketChannel.class)
             .option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
             .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                 @Override
                 public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                     ChannelPipeline p = ch.pipeline();
                     if (sslCtx != null) {
                         p.addLast(sslCtx.newHandler(ch.alloc(), HOST, PORT));
                     }
                     //p.addLast(new LoggingHandler(LogLevel.INFO));
                     p.addLast(new EchoClientHandler());
                 }
             });

            // Start the client.
            ChannelFuture f = b.connect(HOST, PORT).sync();

            // Wait until the connection is closed.
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            // Shut down the event loop to terminate all threads.
            group.shutdownGracefully();
        }

观察以上的代码，代码比较精炼。短短的几行代码就是netty客户端初始化所需的所有内容，这就是netty，它后面帮我们已经做了很多事情，我们只需要简单的使用就行。

接下来我们深入的探索代码，看看到底做了什么事件。

第一句代码就很有看头：
EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
进入NioEventLoopGroup的构造函数看看它一路都做了什么。
看了一路的super()方法，其实最重要的就是MultithreadEventExecutorGroup类

protected MultithreadEventExecutorGroup(int nThreads, ThreadFactory threadFactory, Object... args) {
    children = new SingleThreadEventExecutor[nThreads];
    if (isPowerOfTwo(children.length)) {
        chooser = new PowerOfTwoEventExecutorChooser();
    } else {
        chooser = new GenericEventExecutorChooser();
    }

    for (int i = 0; i < nThreads; i ++) {
        children[i] = newChild(threadFactory, args);
    }
}

1，创建一个nThreads大小的SingleThreadEventExecutor数组
2，根据数组的长度来创建chooser，如果nThreads是2的幂,则使用 PowerOfTwoEventExecutorChooser, 如果不是使用GenericEventExecutorChooser。它们的功能就是从SingleThreadEventExecutor(children变量)数组中选出一个合适的EventExecutor(NioEventLoop)实例。
GenericEventExecutorChooser：

public EventExecutor next() {
            return children[Math.abs(childIndex.getAndIncrement() % children.length)];
        }

PowerOfTwoEventExecutorChooser：

public EventExecutor next() {
            return children[childIndex.getAndIncrement() & children.length - 1];
        }

3，调用newChild方法初始化SingleThreadEventExecutor数组，newChild方法由子类NioEventLoopGroup实现，创建的实际对象是NioEventLoop对象。

protected EventExecutor newChild(ThreadFactory threadFactory, Object... args) throws Exception {
        return new NioEventLoop(this, threadFactory, (SelectorProvider) args[0],
            ((SelectStrategyFactory) args[1]).newSelectStrategy(), (RejectedExecutionHandler) args[2]);
    }

当netty需要一个EventLoop对象时，会调用next()方法获取一个NioEventLoop对象，此对象就是newChild方法生成的。

public EventExecutor next() {
        return chooser.next();
    }

chooser对象的next方法是从SingleThreadEventExecutor(children变量)数组获取。

这里简单的提一下NioEventLoop：NioEventLoop里面包含了一个重要的变量selector，在NioEventLoop初始化的时候会对selector赋值：

selector = openSelector();

private Selector openSelector() {
        final Selector selector;
        try {
            selector = provider.openSelector();
        } catch (IOException e) {
            throw new ChannelException("failed to open a new selector", e);
        }
.............

小总结一下：
1，NioEventLoopGroup内部维护一个类型为EventExecutor数组(变量：children)，数组里面的对象是NioEventLoop，构造了一个线程池(处理IO事件和任务的线程池，后面会详细说明)。
2，调用newChild抽象方法来初始化children数组
3，抽象方法newChild在NioEventLoopGroup中实现的,返回一个NioEventLoop实例


NioSocketChannel：
关于NioSocketChannel我使用EA画了它的类关系图，比较多，看的不是很清楚。


在netty中，channel是socket的抽象，是对socket状态和读写操作的封装。当netty每建立一个连接后，都会有一个对应的channel对象。

channel有不同的类型，分别对应着不同的协议和不同的阻塞类型，常见的有：
NioSocketChannel和NioServerSocketChannel；OioSocketChannel和OioServerSocketChannel等。我们在调用channel()方法，传入一个我们需要的channel的类型,(例子中的：channel(NioSocketChannel.class))。
进入channel方法：

public B channel(Class<? extends C> channelClass) {
        if (channelClass == null) {
            throw new NullPointerException("channelClass");
        }
        return channelFactory(new BootstrapChannelFactory<C>(channelClass));
    }

BootstrapChannelFactory(AbstractBootstrap的内部类)：实现了ChannelFactory接口，其中唯一的方法是newChannel(),这个就是典型生产channel的工厂类，BootstrapChannelFactory.newChannel()的实现方法

public T newChannel() {
            try {
                return clazz.newInstance();//创建一个channel的实例，比如：NioSocketChannel
            } catch (Throwable t) {
                throw new ChannelException("Unable to create Channel from class " + clazz, t);
            }
        }

channelFactory方法把创建的BootstrapChannelFactory实例赋值给：AbstractBootstrap的channelFactory变量。

小总结一下：
通过以上的代码我们可以确定：
1，AbstractBootstrap中的ChannelFactory的实例是BootstrapChannelFactory对象。
2，channel具体的类型由我们自己决定(NioSocketChannel.class)。channel实例化过程就是调用BootstrapChannelFactory的newChannel()方法来完成。

以上的代码是创建channel的地方，那么在哪里调用这个创建channel实例的方法喃？

发现这句代码没？ChannelFuture f = b.connect(HOST, PORT).sync()。connect方法里面的其他的代码我们先不研究，看我们现在此时关心的，进入connect看到了doConnect，接着进入看到了initAndRegister。哈哈哈发现了。在initAndRegister()中有句：channel = channelFactory().newChannel();

final ChannelFuture initAndRegister() {
        Channel channel = null;
        try {
            channel = channelFactory().newChannel();
            init(channel);
        } catch (Throwable t) {
            if (channel != null) {
                channel.unsafe().closeForcibly();
            }
            return new DefaultChannelPromise(channel, GlobalEventExecutor.INSTANCE).setFailure(t);
        }
        ChannelFuture regFuture = group().register(channel);
        if (regFuture.cause() != null) {
            if (channel.isRegistered()) {
                channel.close();
            } else {
                channel.unsafe().closeForcibly();
            }
        }
        return regFuture;
    }

newChannel()调用BootstrapChannelFactory实现方法，创建一个NioSocketChannel对象。

NioSocketChannel的构造函数：

public NioSocketChannel() {
        this(newSocket(DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER));
    }

newSocket方法打开一个新的Java NIO SocketChannel

 private static SocketChannel newSocket(SelectorProvider provider) {
        try {
            return provider.openSocketChannel();
        } catch (IOException e) {
            throw new ChannelException("Failed to open a socket.", e);
        }
    }

this(newSocket(DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER));这时会调用super方法最终会调用到AbstractNioByteChannel中

protected AbstractNioByteChannel(Channel parent, SelectableChannel ch) {
        super(parent, ch, SelectionKey.OP_READ);
    }

parent为空，ch为刚刚newSocket方法创建的SocketChannel，SelectionKey.OP_READ

继续：AbstractNioChannel

protected AbstractNioChannel(Channel parent, SelectableChannel ch, int readInterestOp) {
        super(parent);
        this.ch = ch;
        this.readInterestOp = readInterestOp;
        try {
            ch.configureBlocking(false);
        } catch (IOException e) {
            try {
                ch.close();
            } catch (IOException e2) {
                if (logger.isWarnEnabled()) {
                    logger.warn(
                            "Failed to close a partially initialized socket.", e2);
                }
            }

            throw new ChannelException("Failed to enter non-blocking mode.", e);
        }
    }

AbstractNioChannel类中保存对象：SocketChannel，SelectionKey.OP_READ。并把SocketChannel设置成非阻塞。

继续：AbstractChannel

protected AbstractChannel(Channel parent) {
        this.parent = parent;
        unsafe = newUnsafe();
        pipeline = newChannelPipeline();
    }

到这里就完成了Channel的初始化工作。

小总结一下：
1，NioSocketChannel.newSocket(DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER) 打开一个新的 Java NIO SocketChannel
2，AbstractChannel的初始化
   parent：NULL
   unsafe：newUnsafe()实例化一个unsafe对象,类型是AbstractNioByteChannel.NioByteUnsafe内部类
   pipeline：DefaultChannelPipeline实例：一个channel一个管道。
3，AbstractNioChannel的初始化
   ch：socketchannel
   readInterestOp：OP_READ
   socketchannel设置为非阻塞
4，NioSocketChannel
   config：NioSocketChannelConfig

channel(socketchannel)和Pipeline(DefaultChannelPipeline)是在Channel的初始化工作关联起来的。在实例化channel时，就会实例化一个ChannelPipeline，在上面的分析中，实例出来的对象其实是DefaultChannelPipeline。那么DefaultChannelPipeline的又在做什么工作喃。继续往下看：

protected DefaultChannelPipeline(Channel channel) {
        this.channel = ObjectUtil.checkNotNull(channel, "channel");

        tail = new TailContext(this);
        head = new HeadContext(this);

        head.next = tail;
        tail.prev = head;
    }

channel变量把创建的channel(NioSocketChannel)带入到了管道中，看到tail和head，熟悉数据结构的同学就晓得了，这个是一个双向链表的头和尾，在DefaultChannelPipeline维护了一个AbstractChannelHandlerContext为节点(TailContext和HeadContext都继承AbstractChannelHandlerContext)的双向链表。这个我们在后文单独来详细分析一下。

链表的头HeadContext实现了ChannelOutboundHandler和ChannelInboundHandler两个接口。
按理说HeadContext只实现ChannelOutboundHandler，为什么也实现了ChannelInboundHandler还有待研究。

HeadContext(DefaultChannelPipeline pipeline) {
            super(pipeline, null, HEAD_NAME, false, true);
            unsafe = pipeline.channel().unsafe();
            setAddComplete();
        }

链表的尾TailContext实现了ChannelInboundHandler。

TailContext(DefaultChannelPipeline pipeline) {
            super(pipeline, null, TAIL_NAME, true, false);
            setAddComplete();
        }

它们的父类AbstractChannelHandlerContext

 AbstractChannelHandlerContext(DefaultChannelPipeline pipeline, EventExecutor executor, String name,
                                  boolean inbound, boolean outbound) {
        this.name = ObjectUtil.checkNotNull(name, "name");
        this.pipeline = pipeline;
        this.executor = executor;
        this.inbound = inbound;
        this.outbound = outbound;
        ordered = executor == null || executor instanceof OrderedEventExecutor;
    }

HeadContext传入参数 inbound = false, outbound = true。
TailContext传入参数 inbound = true, outbound = false。
HeadContext是一个outboundHandler,TailContext是一个inboundHandler。
DefaultChannelPipeline的分析暂时就到这里，回到对客户端的分析。

还记得前面我们创建出来了channel吗？channel创建出来了，那么这个channel怎么使用喃？
所以我们继续回到AbstractBootstrap类的initAndRegister()方法

 final ChannelFuture initAndRegister() {
        Channel channel = null;
        try {
            channel = channelFactory().newChannel();
            init(channel);
        } catch (Throwable t) {
            if (channel != null) {
                channel.unsafe().closeForcibly();
            }
            return new DefaultChannelPromise(channel, GlobalEventExecutor.INSTANCE).setFailure(t);
        }

        ChannelFuture regFuture = group().register(channel);
        if (regFuture.cause() != null) {
            if (channel.isRegistered()) {
                channel.close();
            } else {
                channel.unsafe().closeForcibly();
            }
        }
        return regFuture;
    }

newChannel()方法创建出来channel后，调用init()，此方法由Bootstrap实现类完成。

void init(Channel channel) throws Exception {
        ChannelPipeline p = channel.pipeline();
        p.addLast(handler());

        final Map<ChannelOption<?>, Object> options = options();
        synchronized (options) {
            setChannelOptions(channel, options, logger);
        }

        final Map<AttributeKey<?>, Object> attrs = attrs();
        synchronized (attrs) {
            for (Entry<AttributeKey<?>, Object> e: attrs.entrySet()) {
                channel.attr((AttributeKey<Object>) e.getKey()).set(e.getValue());
            }
        }
    }

当channel初始化完成后，会继续调用group().register(channel)来注册channel。group()返回是NioEventLoopGroup。

NioEventLoopGroup的register(channel)方法，其实就是MultithreadEventLoopGroup的register

public ChannelFuture register(Channel channel) {
        return next().register(channel);
    }

next()还记得MultithreadEventExecutorGroup中的Chooser不(从children数组中选出一个合适的NioEventLoop对象)，
最终会调用SingleThreadEventLoop的register方法

public ChannelFuture register(final Channel channel, final ChannelPromise promise) {
        if (channel == null) {
            throw new NullPointerException("channel");
        }
        if (promise == null) {
            throw new NullPointerException("promise");
        }

        channel.unsafe().register(this, promise);
        return promise;
    }

最终我们发现是调用到了unsafe的register 方法,那么接下来我们就仔细看一下 AbstractUnsafe.register方法中到底做了什么:

public final void register(EventLoop eventLoop, final ChannelPromise promise) {
            if (eventLoop == null) {
                throw new NullPointerException("eventLoop");
            }
            if (isRegistered()) {
                promise.setFailure(new IllegalStateException("registered to an event loop already"));
                return;
            }
            if (!isCompatible(eventLoop)) {
                promise.setFailure(
                        new IllegalStateException("incompatible event loop type: " + eventLoop.getClass().getName()));
                return;
            }

            AbstractChannel.this.eventLoop = eventLoop;

            if (eventLoop.inEventLoop()) {
                register0(promise);
            } else {
                try {
                    eventLoop.execute(new Runnable() {
                        @Override
                        public void run() {
                            register0(promise);
                        }
                    });
                } catch (Throwable t) {
                    logger.warn(
                            "Force-closing a channel whose registration task was not accepted by an event loop: {}",
                            AbstractChannel.this, t);
                    closeForcibly();
                    closeFuture.setClosed();
                    safeSetFailure(promise, t);
                }
            }
        }

我们主要看2句代码：AbstractChannel.this.eventLoop = eventLoop;把eventLoop(其实就是MultithreadEventLoopGroup.next()获取的NioEventLoop对象，参照本文写EventLoop的地方)对象赋值给channel中的eventLoop对象。然后是register0(promise);在AbstractChannel类中。

private void register0(ChannelPromise promise) {
            try {
                if (!promise.setUncancellable() || !ensureOpen(promise)) {
                    return;
                }
                boolean firstRegistration = neverRegistered;
                doRegister();
                neverRegistered = false;
                registered = true;
                pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded();

                safeSetSuccess(promise);
                pipeline.fireChannelRegistered();
                if (isActive()) {
                    if (firstRegistration) {
                        pipeline.fireChannelActive();
                    } else if (config().isAutoRead()) {
                        beginRead();
                    }
                }
            } catch (Throwable t) {
                closeForcibly();
                closeFuture.setClosed();
                safeSetFailure(promise, t);
            }
        }

register0又调用了AbstractNioChannel.doRegister:

protected void doRegister() throws Exception {
        boolean selected = false;
        for (;;) {
            try {
                selectionKey = javaChannel().register(eventLoop().selector, 0, this);
                return;
            } catch (CancelledKeyException e) {
                if (!selected) {
                    eventLoop().selectNow();
                    selected = true;
                } else {
                    throw e;
                }
            }
        }
    }

看到了很熟悉的方法了。javaChannel()返回的前面初始化ch的参数,也就是SocketChannel，这里就是把channel注册到NioEventLoop对象生成的selector上(这里就是传统看的selector注册channel的方法)。这样我们将这个SocketChannel注册到与eventLoop关联的selector上了。

小总结一下：
channel的注册过程，在netty中每个channel都会关联一个EventLoop，EventLoop负责执行channel中的所有IO操作。关联好Channel和EventLoop后，调用SocketChannel的register方法，将SocketChannel注册到selector中。

我们继续看EchoClient中的这句：

 .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                 @Override
                 public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                     ChannelPipeline p = ch.pipeline();
                     if (sslCtx != null) {
                         p.addLast(sslCtx.newHandler(ch.alloc(), HOST, PORT));
                     }
                     //p.addLast(new LoggingHandler(LogLevel.INFO));
                     p.addLast(new EchoClientHandler());
                 }
             });

handler的概念孕育而生了。netty中的handler是添加到pipeline中的，至于pipeline的实现机制后续专门拿出来分析(这篇文章的前面只是分析了一下pipeline的初始化)。
handler()方法参数是ChannelHandler对象，上面代码的参数是ChannelInitializer实现了ChannelHandler接口，并Override了initChannel方法，把我们自定义的handler加入到ChannelPipeline中。在ChannelInitializer的channelRegistered方法中会调用initChannel方法：

public final void channelRegistered(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        if (initChannel(ctx)) {
            ctx.pipeline().fireChannelRegistered();
        } else {
            ctx.fireChannelRegistered();
        }
    }

小总结一下：
这里只是想说明一下handler是怎么添加到ChannelPipeline中的，至于ChannelPipeline的底层机制，后面慢讲。

最后我们来分析一下客户端连接，这篇文章就要大功告成了！
ChannelFuture f = b.connect(HOST, PORT).sync();
客户端通过调用Bootstrap的connect方法进行连接,追踪connect的一系列方法：

private static void doConnect0(
            final ChannelFuture regFuture, final Channel channel,
            final SocketAddress remoteAddress, final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise) {
        channel.eventLoop().execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                if (regFuture.isSuccess()) {
                    if (localAddress == null) {
                        channel.connect(remoteAddress, promise);
                    } else {
                        channel.connect(remoteAddress, localAddress, promise);
                    }
                    promise.addListener(ChannelFutureListener.CLOSE_ON_FAILURE);
                } else {
                    promise.setFailure(regFuture.cause());
                }
            }
        });
    }

execute方法会把这个匿名线程添加到eventloop的任务队列中，让调度线程来执行。
run方法中调用channel的connect方法, 而这个channel： NioSocketChannel(在前面的channel小结讨论过)。继续看其实是调用DefaultChannelPipeline的connect方法。

public final ChannelFuture connect(SocketAddress remoteAddress, SocketAddress localAddress) {
        return tail.connect(remoteAddress, localAddress);
    }

ChannelPipeline中的tail字段，前面我也提到了，tail是TailContext实例，也是 AbstractChannelHandlerContext的子类，tail.connect是调用AbstractChannelHandlerContext的connect方法。

public ChannelFuture connect(
            final SocketAddress remoteAddress, final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise) {

        if (remoteAddress == null) {
            throw new NullPointerException("remoteAddress");
        }
        if (!validatePromise(promise, false)) {
            return promise;
        }

        final AbstractChannelHandlerContext next = findContextOutbound();
        EventExecutor executor = next.executor();
        if (executor.inEventLoop()) {
            next.invokeConnect(remoteAddress, localAddress, promise);
        } else {
            safeExecute(executor, new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    next.invokeConnect(remoteAddress, localAddress, promise);
                }
            }, promise, null);
        }
        return promise;
    }

先来看看findContextOutbound()：从DefaultChannelPipeline内的双向链表的tail开始, 不断向前寻找第一个outbound为true的AbstractChannelHandlerContext,然后调用它的 invokeConnect方法。

 private void invokeConnect(SocketAddress remoteAddress, SocketAddress localAddress, ChannelPromise promise) {
        if (invokeHandler()) {
            try {
                ((ChannelOutboundHandler) handler()).connect(this, remoteAddress, localAddress, promise);
            } catch (Throwable t) {
                notifyOutboundHandlerException(t, promise);
            }
        } else {
            connect(remoteAddress, localAddress, promise);
        }
    }

按照前面讲pipeline的地方，双向链表的头和尾.head是HeadContext的实例,实现了ChannelOutboundHandler接口,并且它的outbound字段为true. 因此在 findContextOutbound中,找到的AbstractChannelHandlerContext对象其实就是链表的head.HeadContext从写了connect方法。

public void connect(
                ChannelHandlerContext ctx,
                SocketAddress remoteAddress, SocketAddress localAddress,
                ChannelPromise promise) throws Exception {
            unsafe.connect(remoteAddress, localAddress, promise);
        }

unsafe是在HeadContext构造器中pipeline.channel().unsafe()返回的，就是AbstractNioByteChannel.NioByteUnsafe内部类。

protected class NioByteUnsafe extends AbstractNioUnsafe

就是调用AbstractNioUnsafe中的connect方法，

........
 if (doConnect(remoteAddress, localAddress)) {
                    fulfillConnectPromise(promise, wasActive);
                }
.......

doConnect方法其实又是调用到了NioSocketChannel中去了

 protected boolean doConnect(SocketAddress remoteAddress, SocketAddress localAddress) throws Exception {
        if (localAddress != null) {
            doBind0(localAddress);
        }

        boolean success = false;
        try {
            boolean connected = SocketUtils.connect(javaChannel(), remoteAddress);
            if (!connected) {
                selectionKey().interestOps(SelectionKey.OP_CONNECT);
            }
            success = true;
            return connected;
        } finally {
            if (!success) {
                doClose();
            }
        }
    }

又一次出现了javaChannel()就是socketChannel，

SocketUtils.connect：

public static boolean connect(final SocketChannel socketChannel, final SocketAddress remoteAddress)
            throws IOException {
        try {
            return AccessController.doPrivileged(new PrivilegedExceptionAction<Boolean>() {
                @Override
                public Boolean run() throws IOException {
                    return socketChannel.connect(remoteAddress);
                }
            });
        } catch (PrivilegedActionException e) {
            throw (IOException) e.getCause();
        }
    }

看到了socketChannel.connect(remoteAddress);终于完成了socket连接。

以上就是客户端的初始化和连接了，好绕好绕！

再总结一下各个组件的关系：
NioEventLoop包含
   selectorProvider：selector的提供者，SelectorProvider.provider()获取
   selector：具体的selector。provider.openSelector()获取一个selector对象
             SocketChannel实例会被注册到此selector上

NioEventLoopGroup包含
   children数组，存放NioEventLoop实例


NioSocketChannel包含
   SocketChannel实例
   DefaultChannelPipeline实例
   unsafe实例
   NioEventLoop实例

   在实例化channel时，就会实例化一个ChannelPipeline

DefaultChannelPipeline包含
   NioSocketChannel实例
   TailContext实例(AbstractChannelHandlerContext)
   HeadContext实例(AbstractChannelHandlerContext)
   自定义的handler

AbstractChannelHandlerContext包含
   DefaultChannelPipeline实例
大概梳理了一下，以后发现要加再加！