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源码之下无秘密 ── 做最好的 Netty 源码分析教程

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前言

这篇是 Netty 源码分析 的第二篇, 在这篇文章中, 我会为读者详细地分析 Netty 中的 ChannelPipeline 机制.

Channel 与 ChannelPipeline

相信大家都知道了, 在 Netty 中每个 Channel 都有且仅有一个 ChannelPipeline 与之对应, 它们的组成关系如下:

clipboard.png

通过上图我们可以看到, 一个 Channel 包含了一个 ChannelPipeline, 而 ChannelPipeline 中又维护了一个由 ChannelHandlerContext 组成的双向链表. 这个链表的头是 HeadContext, 链表的尾是 TailContext, 并且每个 ChannelHandlerContext 中又关联着一个 ChannelHandler.
上面的图示给了我们一个对 ChannelPipeline 的直观认识, 但是实际上 Netty 实现的 Channel 是否真的是这样的呢? 我们继续用源码说话.

在第一章 Netty 源码分析之 一 揭开 Bootstrap 神秘的红盖头 中, 我们已经知道了一个 Channel 的初始化的基本过程, 下面我们再回顾一下.
下面的代码是 AbstractChannel 构造器:

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

AbstractChannel 有一个 pipeline 字段, 在构造器中会初始化它为 DefaultChannelPipeline的实例. 这里的代码就印证了一点: 每个 Channel 都有一个 ChannelPipeline.
接着我们跟踪一下 DefaultChannelPipeline 的初始化过程.
首先进入到 DefaultChannelPipeline 构造器中:

public DefaultChannelPipeline(AbstractChannel channel) {
    if (channel == null) {
        throw new NullPointerException("channel");
    }
    this.channel = channel;

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

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

在 DefaultChannelPipeline 构造器中, 首先将与之关联的 Channel 保存到字段 channel 中, 然后实例化两个 ChannelHandlerContext, 一个是 HeadContext 实例 head, 另一个是 TailContext 实例 tail. 接着将 head 和 tail 互相指向, 构成一个双向链表.
特别注意到, 我们在开始的示意图中, head 和 tail 并没有包含 ChannelHandler, 这是因为 HeadContext 和 TailContext 继承于 AbstractChannelHandlerContext 的同时也实现了 ChannelHandler 接口了, 因此它们有 Context 和 Handler 的双重属性.

ChannelPipeline 的初始化再探

在第一章的时候, 我们已经对 ChannelPipeline 的初始化有了一个大致的了解, 不过当时重点毕竟不在 ChannelPipeline 这里, 因此没有深入地分析它的初始化过程. 那么下面我们就来看一下具体的 ChannelPipeline 的初始化都做了哪些工作吧.

ChannelPipeline 实例化过程

我们再来回顾一下, 在实例化一个 Channel 时, 会伴随着一个 ChannelPipeline 的实例化, 并且此 Channel 会与这个 ChannelPipeline 相互关联, 这一点可以通过NioSocketChannel 的父类 AbstractChannel 的构造器予以佐证:

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

当实例化一个 Channel(这里以 EchoClient 为例, 那么 Channel 就是 NioSocketChannel), 其 pipeline 字段就是我们新创建的 DefaultChannelPipeline 对象, 那么我们就来看一下 DefaultChannelPipeline 的构造方法吧:

public DefaultChannelPipeline(AbstractChannel channel) {
    if (channel == null) {
        throw new NullPointerException("channel");
    }
    this.channel = channel;

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

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

可以看到, 在 DefaultChannelPipeline 的构造方法中, 将传入的 channel 赋值给字段 this.channel, 接着又实例化了两个特殊的字段: tailhead. 这两个字段是一个双向链表的头和尾. 其实在 DefaultChannelPipeline 中, 维护了一个以 AbstractChannelHandlerContext 为节点的双向链表, 这个链表是 Netty 实现 Pipeline 机制的关键.
再回顾一下 head 和 tail 的类层次结构:

clipboard.png

clipboard.png

从类层次结构图中可以很清楚地看到, head 实现了 ChannelInboundHandler, 而 tail 实现了 ChannelOutboundHandler 接口, 并且它们都实现了 ChannelHandlerContext 接口, 因此可以说 head 和 tail 即是一个 ChannelHandler, 又是一个 ChannelHandlerContext.

接着看一下 HeadContext 的构造器:

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

它调用了父类 AbstractChannelHandlerContext 的构造器, 并传入参数 inbound = false, outbound = true.
TailContext 的构造器与 HeadContext 的相反, 它调用了父类 AbstractChannelHandlerContext 的构造器, 并传入参数 inbound = true, outbound = false.
即 header 是一个 outboundHandler, 而 tail 是一个inboundHandler, 关于这一点, 大家要特别注意, 因为在后面的分析中, 我们会反复用到 inbound 和 outbound 这两个属性.

ChannelInitializer 的添加

上面一小节中, 我们已经分析了 Channel 的组成, 其中我们了解到, 最开始的时候 ChannelPipeline 中含有两个 ChannelHandlerContext(同时也是 ChannelHandler), 但是这个 Pipeline并不能实现什么特殊的功能, 因为我们还没有给它添加自定义的 ChannelHandler.
通常来说, 我们在初始化 Bootstrap, 会添加我们自定义的 ChannelHandler, 就以我们熟悉的 EchoClient 来举例吧:

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();
         p.addLast(new EchoClientHandler());
     }
 });

上面代码的初始化过程, 相信大家都不陌生. 在调用 handler 时, 传入了 ChannelInitializer 对象, 它提供了一个 initChannel 方法供我们初始化 ChannelHandler. 那么这个初始化过程是怎样的呢? 下面我们就来揭开它的神秘面纱.

ChannelInitializer 实现了 ChannelHandler, 那么它是在什么时候添加到 ChannelPipeline 中的呢? 进行了一番搜索后, 我们发现它是在 Bootstrap.init 方法中添加到 ChannelPipeline 中的.
其代码如下:

@Override
@SuppressWarnings("unchecked")
void init(Channel channel) throws Exception {
    ChannelPipeline p = channel.pipeline();
    p.addLast(handler());
    ...
}

上面的代码将 handler() 返回的 ChannelHandler 添加到 Pipeline 中, 而 handler() 返回的是handler 其实就是我们在初始化 Bootstrap 调用 handler 设置的 ChannelInitializer 实例, 因此这里就是将 ChannelInitializer 插入到了 Pipeline 的末端.
此时 Pipeline 的结构如下图所示:

clipboard.png

有朋友可能就有疑惑了, 我明明插入的是一个 ChannelInitializer 实例, 为什么在 ChannelPipeline 中的双向链表中的元素却是一个 ChannelHandlerContext? 为了解答这个问题, 我们继续在代码中寻找答案吧.
我们刚才提到, 在 Bootstrap.init 中会调用 p.addLast() 方法, 将 ChannelInitializer 插入到链表末端:

@Override
public ChannelPipeline addLast(EventExecutorGroup group, final String name, ChannelHandler handler) {
    synchronized (this) {
        checkDuplicateName(name); // 检查此 handler 是否有重复的名字

        AbstractChannelHandlerContext newCtx = new DefaultChannelHandlerContext(this, group, name, handler);
        addLast0(name, newCtx);
    }

    return this;
}

addLast 有很多重载的方法, 我们关注这个比较重要的方法就可以了.
上面的 addLast 方法中, 首先检查这个 ChannelHandler 的名字是否是重复的, 如果不重复的话, 则为这个 Handler 创建一个对应的 DefaultChannelHandlerContext 实例, 并与之关联起来(Context 中有一个 handler 属性保存着对应的 Handler 实例). 判断此 Handler 是否重名的方法很简单: Netty 中有一个 name2ctx Map 字段, key 是 handler 的名字, 而 value 则是 handler 本身. 因此通过如下代码就可以判断一个 handler 是否重名了:

private void checkDuplicateName(String name) {
    if (name2ctx.containsKey(name)) {
        throw new IllegalArgumentException("Duplicate handler name: " + name);
    }
}

为了添加一个 handler 到 pipeline 中, 必须把此 handler 包装成 ChannelHandlerContext. 因此在上面的代码中我们可以看到新实例化了一个 newCtx 对象, 并将 handler 作为参数传递到构造方法中. 那么我们来看一下实例化的 DefaultChannelHandlerContext 到底有什么玄机吧.
首先看它的构造器:

DefaultChannelHandlerContext(
        DefaultChannelPipeline pipeline, EventExecutorGroup group, String name, ChannelHandler handler) {
    super(pipeline, group, name, isInbound(handler), isOutbound(handler));
    if (handler == null) {
        throw new NullPointerException("handler");
    }
    this.handler = handler;
}

DefaultChannelHandlerContext 的构造器中, 调用了两个很有意思的方法: isInboundisOutbound, 这两个方法是做什么的呢?

private static boolean isInbound(ChannelHandler handler) {
    return handler instanceof ChannelInboundHandler;
}

private static boolean isOutbound(ChannelHandler handler) {
    return handler instanceof ChannelOutboundHandler;
}

从源码中可以看到, 当一个 handler 实现了 ChannelInboundHandler 接口, 则 isInbound 返回真; 相似地, 当一个 handler 实现了 ChannelOutboundHandler 接口, 则 isOutbound 就返回真.
而这两个 boolean 变量会传递到父类 AbstractChannelHandlerContext 中, 并初始化父类的两个字段: inboundoutbound.
那么这里的 ChannelInitializer 所对应的 DefaultChannelHandlerContext 的 inbound 与 inbound 字段分别是什么呢? 那就看一下 ChannelInitializer 到底实现了哪个接口不就行了? 如下是 ChannelInitializer 的类层次结构图:

clipboard.png

可以清楚地看到, ChannelInitializer 仅仅实现了 ChannelInboundHandler 接口, 因此这里实例化的 DefaultChannelHandlerContext 的 inbound = true, outbound = false.
不就是 inbound 和 outbound 两个字段嘛, 为什么需要这么大费周章地分析一番? 其实这两个字段关系到 pipeline 的事件的流向与分类, 因此是十分关键的, 不过我在这里先卖个关子, 后面我们再来详细分析这两个字段所起的作用. 在这里, 读者只需要记住, ChannelInitializer 所对应的 DefaultChannelHandlerContext 的 inbound = true, outbound = false 即可.

当创建好 Context 后, 就将这个 Context 插入到 Pipeline 的双向链表中:

private void addLast0(final String name, AbstractChannelHandlerContext newCtx) {
    checkMultiplicity(newCtx);

    AbstractChannelHandlerContext prev = tail.prev;
    newCtx.prev = prev;
    newCtx.next = tail;
    prev.next = newCtx;
    tail.prev = newCtx;

    name2ctx.put(name, newCtx);

    callHandlerAdded(newCtx);
}

显然, 这个代码就是典型的双向链表的插入操作了. 当调用了 addLast 方法后, Netty 就会将此 handler 添加到双向链表中 tail 元素之前的位置.

自定义 ChannelHandler 的添加过程

在上一小节中, 我们已经分析了一个 ChannelInitializer 如何插入到 Pipeline 中的, 接下来就来探讨一下 ChannelInitializer 在哪里被调用, ChannelInitializer 的作用, 以及我们自定义的 ChannelHandler 是如何插入到 Pipeline 中的.

Netty 源码分析之 一 揭开 Bootstrap 神秘的红盖头 (客户端) 一章的 channel 的注册过程 小节中, 我们已经分析过 Channel 的注册过程了, 这里我们再简单地复习一下:

  • 首先在 AbstractBootstrap.initAndRegister中, 通过 group().register(channel), 调用 MultithreadEventLoopGroup.register 方法

  • 在MultithreadEventLoopGroup.register 中, 通过 next() 获取一个可用的 SingleThreadEventLoop, 然后调用它的 register

  • 在 SingleThreadEventLoop.register 中, 通过 channel.unsafe().register(this, promise) 来获取 channel 的 unsafe() 底层操作对象, 然后调用它的 register.

  • 在 AbstractUnsafe.register 方法中, 调用 register0 方法注册 Channel

  • 在 AbstractUnsafe.register0 中, 调用 AbstractNioChannel#doRegister 方法

  • AbstractNioChannel.doRegister 方法通过 javaChannel().register(eventLoop().selector, 0, this) 将 Channel 对应的 Java NIO SockerChannel 注册到一个 eventLoop 的 Selector 中, 并且将当前 Channel 作为 attachment.

而我们自定义 ChannelHandler 的添加过程, 发生在 AbstractUnsafe.register0 中, 在这个方法中调用了 pipeline.fireChannelRegistered() 方法, 其实现如下:

@Override
public ChannelPipeline fireChannelRegistered() {
    head.fireChannelRegistered();
    return this;
}

上面的代码很简单, 就是调用了 head.fireChannelRegistered() 方法而已.

关于上面代码的 head.fireXXX 的调用形式, 是 Netty 中 Pipeline 传递事件的常用方式, 我们以后会经常看到.

还记得 head 的 类层次结构图不, head 是一个 AbstractChannelHandlerContext 实例, 并且它没有重写 fireChannelRegistered 方法, 因此 head.fireChannelRegistered 其实是调用的 AbstractChannelHandlerContext.fireChannelRegistered:

@Override
public ChannelHandlerContext fireChannelRegistered() {
    final AbstractChannelHandlerContext next = findContextInbound();
    EventExecutor executor = next.executor();
    if (executor.inEventLoop()) {
        next.invokeChannelRegistered();
    } else {
        executor.execute(new OneTimeTask() {
            @Override
            public void run() {
                next.invokeChannelRegistered();
            }
        });
    }
    return this;
}

这个方法的第一句是调用 findContextInbound 获取一个 Context, 那么它返回的 Context 到底是什么呢? 我们跟进代码中看一下:

private AbstractChannelHandlerContext findContextInbound() {
    AbstractChannelHandlerContext ctx = this;
    do {
        ctx = ctx.next;
    } while (!ctx.inbound);
    return ctx;
}

很显然, 这个代码会从 head 开始遍历 Pipeline 的双向链表, 然后找到第一个属性 inbound 为 true 的 ChannelHandlerContext 实例. 想起来了没? 我们在前面分析 ChannelInitializer 时, 花了大量的笔墨来分析了 inbound 和 outbound 属性, 你看现在这里就用上了. 回想一下, ChannelInitializer 实现了 ChannelInboudHandler, 因此它所对应的 ChannelHandlerContext 的 inbound 属性就是 true, 因此这里返回就是 ChannelInitializer 实例所对应的 ChannelHandlerContext. 即:

clipboard.png

当获取到 inbound 的 Context 后, 就调用它的 invokeChannelRegistered 方法:

private void invokeChannelRegistered() {
    try {
        ((ChannelInboundHandler) handler()).channelRegistered(this);
    } catch (Throwable t) {
        notifyHandlerException(t);
    }
}

我们已经强调过了, 每个 ChannelHandler 都与一个 ChannelHandlerContext 关联, 我们可以通过 ChannelHandlerContext 获取到对应的 ChannelHandler. 因此很显然了, 这里 handler() 返回的, 其实就是一开始我们实例化的 ChannelInitializer 对象, 并接着调用了 ChannelInitializer.channelRegistered 方法. 看到这里, 读者朋友是否会觉得有点眼熟呢? ChannelInitializer.channelRegistered 这个方法我们在第一章的时候已经大量地接触了, 但是我们并没有深入地分析这个方法的调用过程, 那么在这里读者朋友应该对它的调用有了更加深入的了解了吧.

那么这个方法中又有什么玄机呢? 继续看代码:

@Override
@SuppressWarnings("unchecked")
public final void channelRegistered(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
    initChannel((C) ctx.channel());
    ctx.pipeline().remove(this);
    ctx.fireChannelRegistered();
}

initChannel 这个方法我们很熟悉了吧, 它就是我们在初始化 Bootstrap 时, 调用 handler 方法传入的匿名内部类所实现的方法:

.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
     @Override
     public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
         ChannelPipeline p = ch.pipeline();
         p.addLast(new EchoClientHandler());
     }
 });

因此当调用了这个方法后, 我们自定义的 ChannelHandler 就插入到 Pipeline 了, 此时的 Pipeline 如下图所示:

clipboard.png

当添加了自定义的 ChannelHandler 后, 会删除 ChannelInitializer 这个 ChannelHandler, 即 "ctx.pipeline().remove(this)", 因此最后的 Pipeline 如下:

clipboard.png

好了, 到了这里, 我们的 自定义 ChannelHandler 的添加过程 也分析的查不多了.

下一小节 Netty 源码分析之 二 贯穿Netty 的大动脉 ── ChannelPipeline (二)

本文由 yongshun 发表于个人博客, 采用 署名-相同方式共享 3.0 中国大陆许可协议.
Email: yongshun1228@gmail.com
本文标题为: Netty 源码分析之 二 贯穿Netty 的大动脉 ── ChannelPipeline (一)
本文链接为: https://segmentfault.com/a/1190000007308934

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10 条评论
stephen · 2017年06月02日

head、tail实现ChannelInboundHandler,ChannelOutboundHandler,你图里画的,和紧接着图下面的描述,2者都不一致,有错误!!修改下吧!

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tolun · 2017年04月07日

有个小语病 (_

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0

哪哪哪

永顺 作者 · 2017年04月07日
0

看了第二篇 ok

tolun · 2017年04月12日
0

@tolun EchoClientHandler 和 tail 不删除的

永顺 作者 · 2017年04月12日
潇慕雨Muyoo · 2017年06月13日

“ head 实现了 ChannelInboundHandler, 而 tail 实现了 ChannelOutboundHandler 接口” 写反了

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chrisliu · 2018年05月29日

4.0.54版本中 head 即实现了ChannelInboundHandler也实现了ChannelOutboundHandler

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hel_hel · 2018年10月30日

版本4.1.22.Final中,在Channel注册事件传播之前,ChannelInitializer#initChannel()就已经被调用,完成了提交任务(对于ServerBootstrap,该任务是添加ServerBootstrapAcceptor)和移除自身的操作,因此ChannelInitializer#channelRegistered()不会被调用。官方注释也有说明。

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弓箭手 · 2月19日

写的蛮好的,刚开始学习,试着理一下自己的思路。
1。每个channel就是一个连接管道,它含有一个由一系列handler组成的pipeline来处理channel每一次的in/out操作,当然handler被包在context中使用。
2。先在bootstrap中放一个ChannelInitializer的handler,存放在这里。这时真正的channel与pipeline还没有生成。ChannelInitializer的目的是在pipeline的处理器中先占个位置,回头会替换成真正的handler。
3。当bootstrap进行init一个channel的时候,会给这个channel的pipeline放上这个ChannelInitializer的handler。
4。此时所有的主要对象与关系都组装都完成了。在nio中,Channel是要注册到selector中的,这个时候就是启动处理的时候。让pipleline中产生一个register事件,就由pipeline中的相关handler来自动处理了。
5。相关的的handler会进行相关的处理,目前只有一个,它处理中会init一下自己所属的channel,并把自己移除,之后还会继续传播这个事件。

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