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

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永顺
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    源码之下无秘密 ── 做最好的 Netty 源码分析教程

    接上篇 Netty 源码分析之 二 贯穿Netty 的大动脉 ── ChannelPipeline (一)

    ChannelHandler 的名字

    我们注意到, pipeline.addXXX 都有一个重载的方法, 例如 addLast, 它有一个重载的版本是:

    ChannelPipeline addLast(String name, ChannelHandler handler);

    第一个参数指定了所添加的 handler 的名字(更准确地说是 ChannelHandlerContext 的名字, 不过我们通常是以 handler 作为叙述的对象, 因此说成 handler 的名字便于理解). 那么 handler 的名字有什么用呢? 如果我们不设置name, 那么 handler 会有怎样的名字?
    为了解答这些疑惑, 老规矩, 依然是从源码中找到答案.
    我们还是以 addLast 方法为例:

    @Override
public ChannelPipeline addLast(String name, ChannelHandler handler) {
    return addLast(null, name, handler);
}

    这个方法会调用重载的 addLast 方法:

    @Override
public ChannelPipeline addLast(EventExecutorGroup group, final String name, ChannelHandler handler) {
    synchronized (this) {
        checkDuplicateName(name);

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

    return this;
}

    第一个参数被设置为 null, 我们不关心它. 第二参数就是这个 handler 的名字. 看代码可知, 在添加一个 handler 之前, 需要调用 checkDuplicateName 方法来确定此 handler 的名字是否和已添加的 handler 的名字重复. 而这个 checkDuplicateName 方法我们在前面已经有提到, 这里再回顾一下:

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

    Netty 判断一个 handler 的名字是否重复的依据很简单: DefaultChannelPipeline 中有一个 类型为 Map<String, AbstractChannelHandlerContext> 的 name2ctx 字段, 它的 key 是一个 handler 的名字, 而 value 则是这个 handler 所对应的 ChannelHandlerContext. 每当新添加一个 handler 时, 就会 put 到 name2ctx 中. 因此检查 name2ctx 中是否包含这个 name 即可.
    当没有重名的 handler 时, 就为这个 handler 生成一个关联的 DefaultChannelHandlerContext 对象, 然后就将 name 和 newCtx 作为 key-value 对 放到 name2Ctx 中.

    自动生成 handler 的名字

    如果我们调用的是如下的 addLast 方法

    ChannelPipeline addLast(ChannelHandler... handlers);

    那么 Netty 会调用 generateName 为我们的 handler 自动生成一个名字:

    private String generateName(ChannelHandler handler) {
    WeakHashMap<Class<?>, String> cache = nameCaches[(int) (Thread.currentThread().getId() % nameCaches.length)];
    Class<?> handlerType = handler.getClass();
    String name;
    synchronized (cache) {
        name = cache.get(handlerType);
        if (name == null) {
            name = generateName0(handlerType);
            cache.put(handlerType, name);
        }
    }

    synchronized (this) {
        // It's not very likely for a user to put more than one handler of the same type, but make sure to avoid
        // any name conflicts.  Note that we don't cache the names generated here.
        if (name2ctx.containsKey(name)) {
            String baseName = name.substring(0, name.length() - 1); // Strip the trailing '0'.
            for (int i = 1;; i ++) {
                String newName = baseName + i;
                if (!name2ctx.containsKey(newName)) {
                    name = newName;
                    break;
                }
            }
        }
    }

    return name;
}

    而 generateName 会接着调用 generateName0 来实际产生一个 handler 的名字:

    private static String generateName0(Class<?> handlerType) {
    return StringUtil.simpleClassName(handlerType) + "#0";
}

    自动生成的名字的规则很简单, 就是 handler 的简单类名加上 "#0", 因此我们的 EchoClientHandler 的名字就是 "EchoClientHandler#0", 这一点也可以通过调试窗口佐证:

    clipboard.png

    关于 Pipeline 的事件传输机制

    前面章节中, 我们知道 AbstractChannelHandlerContext 中有 inbound 和 outbound 两个 boolean 变量, 分别用于标识 Context 所对应的 handler 的类型, 即:

    • inbound 为真时, 表示对应的 ChannelHandler 实现了 ChannelInboundHandler 方法.

    • outbound 为真时, 表示对应的 ChannelHandler 实现了 ChannelOutboundHandler 方法.

    读者朋友肯定很疑惑了吧: 那究竟这两个字段有什么作用呢? 其实这还要从 ChannelPipeline 的传输的事件类型说起.
    Netty 的事件可以分为 Inbound 和 Outbound 事件.

    如下是从 Netty 官网上拷贝的一个图示:

                                                 I/O Request
                                        via Channel or
                                    ChannelHandlerContext
                                                  |
+---------------------------------------------------+---------------+
|                           ChannelPipeline         |               |
|                                                  \|/              |
|    +---------------------+            +-----------+----------+    |
|    | Inbound Handler  N  |            | Outbound Handler  1  |    |
|    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
|              /|\                                  |               |
|               |                                  \|/              |
|    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
|    | Inbound Handler N-1 |            | Outbound Handler  2  |    |
|    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
|              /|\                                  .               |
|               .                                   .               |
| ChannelHandlerContext.fireIN_EVT() ChannelHandlerContext.OUT_EVT()|
|        [ method call]                       [method call]         |
|               .                                   .               |
|               .                                  \|/              |
|    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
|    | Inbound Handler  2  |            | Outbound Handler M-1 |    |
|    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
|              /|\                                  |               |
|               |                                  \|/              |
|    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
|    | Inbound Handler  1  |            | Outbound Handler  M  |    |
|    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
|              /|\                                  |               |
+---------------+-----------------------------------+---------------+
              |                                  \|/
+---------------+-----------------------------------+---------------+
|               |                                   |               |
|       [ Socket.read() ]                    [ Socket.write() ]     |
|                                                                   |
|  Netty Internal I/O Threads (Transport Implementation)            |
+-------------------------------------------------------------------+

    从上图可以看出, inbound 事件和 outbound 事件的流向是不一样的, inbound 事件的流行是从下至上, 而 outbound 刚好相反, 是从上到下. 并且 inbound 的传递方式是通过调用相应的 ChannelHandlerContext.fireIN_EVT() 方法, 而 outbound 方法的的传递方式是通过调用 ChannelHandlerContext.OUT_EVT() 方法. 例如 ChannelHandlerContext.fireChannelRegistered() 调用会发送一个 ChannelRegistered 的 inbound 给下一个ChannelHandlerContext, 而 ChannelHandlerContext.bind 调用会发送一个 bind 的 outbound 事件给 下一个 ChannelHandlerContext.

    Inbound 事件传播方法有:

    ChannelHandlerContext.fireChannelRegistered()
ChannelHandlerContext.fireChannelActive()
ChannelHandlerContext.fireChannelRead(Object)
ChannelHandlerContext.fireChannelReadComplete()
ChannelHandlerContext.fireExceptionCaught(Throwable)
ChannelHandlerContext.fireUserEventTriggered(Object)
ChannelHandlerContext.fireChannelWritabilityChanged()
ChannelHandlerContext.fireChannelInactive()
ChannelHandlerContext.fireChannelUnregistered()

    Oubound 事件传输方法有:

    ChannelHandlerContext.bind(SocketAddress, ChannelPromise)
ChannelHandlerContext.connect(SocketAddress, SocketAddress, ChannelPromise)
ChannelHandlerContext.write(Object, ChannelPromise)
ChannelHandlerContext.flush()
ChannelHandlerContext.read()
ChannelHandlerContext.disconnect(ChannelPromise)
ChannelHandlerContext.close(ChannelPromise)

    注意, 如果我们捕获了一个事件, 并且想让这个事件继续传递下去, 那么需要调用 Context 相应的传播方法.
    例如:

    public class MyInboundHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) {
        System.out.println("Connected!");
        ctx.fireChannelActive();
    }
}

public clas MyOutboundHandler extends ChannelOutboundHandlerAdapter {
    @Override
    public void close(ChannelHandlerContext ctx, ChannelPromise promise) {
        System.out.println("Closing ..");
        ctx.close(promise);
    }
}

    上面的例子中, MyInboundHandler 收到了一个 channelActive 事件, 它在处理后, 如果希望将事件继续传播下去, 那么需要接着调用 ctx.fireChannelActive().

    Outbound 操作(outbound operations of a channel)

    Outbound 事件都是请求事件(request event), 即请求某件事情的发生, 然后通过 Outbound 事件进行通知.
    Outbound 事件的传播方向是 tail -> customContext -> head.

    我们接下来以 connect 事件为例, 分析一下 Outbound 事件的传播机制.
    首先, 当用户调用了 Bootstrap.connect 方法时, 就会触发一个 Connect 请求事件, 此调用会触发如下调用链:

    Bootstrap.connect -> Bootstrap.doConnect -> Bootstrap.doConnect0 -> AbstractChannel.connect

    继续跟踪的话, 我们就发现, AbstractChannel.connect 其实由调用了 DefaultChannelPipeline.connect 方法:

    @Override
public ChannelFuture connect(SocketAddress remoteAddress, ChannelPromise promise) {
    return pipeline.connect(remoteAddress, promise);
}

    而 pipeline.connect 的实现如下:

    @Override
public ChannelFuture connect(SocketAddress remoteAddress, ChannelPromise promise) {
    return tail.connect(remoteAddress, promise);
}

    可以看到, 当 outbound 事件(这里是 connect 事件)传递到 Pipeline 后, 它其实是以 tail 为起点开始传播的.
    而 tail.connect 其实调用的是 AbstractChannelHandlerContext.connect 方法:

    @Override
public ChannelFuture connect(
        final SocketAddress remoteAddress, final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise) {
    ...
    final AbstractChannelHandlerContext next = findContextOutbound();
    EventExecutor executor = next.executor();
    ...
    next.invokeConnect(remoteAddress, localAddress, promise);
    ...
    return promise;
}

    findContextOutbound() 顾名思义, 它的作用是以当前 Context 为起点, 向 Pipeline 中的 Context 双向链表的前端寻找第一个 outbound 属性为真的 Context(即关联着 ChannelOutboundHandler 的 Context), 然后返回.
    它的实现如下:

    private AbstractChannelHandlerContext findContextOutbound() {
    AbstractChannelHandlerContext ctx = this;
    do {
        ctx = ctx.prev;
    } while (!ctx.outbound);
    return ctx;
}

    当我们找到了一个 outbound 的 Context 后, 就调用它的 invokeConnect 方法, 这个方法中会调用 Context 所关联着的 ChannelHandler 的 connect 方法:

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

    如果用户没有重写 ChannelHandler 的 connect 方法, 那么会调用 ChannelOutboundHandlerAdapter 所实现的方法:

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

    我们看到, ChannelOutboundHandlerAdapter.connect 仅仅调用了 ctx.connect, 而这个调用又回到了:

    Context.connect -> Connect.findContextOutbound -> next.invokeConnect -> handler.connect -> Context.connect

    这样的循环中, 直到 connect 事件传递到DefaultChannelPipeline 的双向链表的头节点, 即 head 中. 为什么会传递到 head 中呢? 回想一下, head 实现了 ChannelOutboundHandler, 因此它的 outbound 属性是 true.
    因为 head 本身既是一个 ChannelHandlerContext, 又实现了 ChannelOutboundHandler 接口, 因此当 connect 消息传递到 head 后, 会将消息转递到对应的 ChannelHandler 中处理, 而恰好, head 的 handler() 返回的就是 head 本身:

    @Override
public ChannelHandler handler() {
    return this;
}

    因此最终 connect 事件是在 head 中处理的. head 的 connect 事件处理方法如下:

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

    到这里, 整个 Connect 请求事件就结束了.
    下面以一幅图来描述一个整个 Connect 请求事件的处理过程:

    clipboard.png
    点此有无码高清原图

    我们仅仅以 Connect 请求事件为例, 分析了 Outbound 事件的传播过程, 但是其实所有的 outbound 的事件传播都遵循着一样的传播规律, 读者可以试着分析一下其他的 outbound 事件, 体会一下它们的传播过程.

    Inbound 事件

    Inbound 事件和 Outbound 事件的处理过程有点镜像.
    Inbound 事件是一个通知事件, 即某件事已经发生了, 然后通过 Inbound 事件进行通知. Inbound 通常发生在 Channel 的状态的改变或 IO 事件就绪.
    Inbound 的特点是它传播方向是 head -> customContext -> tail.

    既然上面我们分析了 Connect 这个 Outbound 事件, 那么接着分析 Connect 事件后会发生什么 Inbound 事件, 并最终找到 Outbound 和 Inbound 事件之间的联系.

    当 Connect 这个 Outbound 传播到 unsafe 后, 其实是在 AbstractNioUnsafe.connect 方法中进行处理的:

    @Override
public final void connect(
        final SocketAddress remoteAddress, final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise) {
    ...
    if (doConnect(remoteAddress, localAddress)) {
        fulfillConnectPromise(promise, wasActive);
    } else {
        ...
    }
    ...
}

    在 AbstractNioUnsafe.connect 中, 首先调用 doConnect 方法进行实际上的 Socket 连接, 当连接上后, 会调用 fulfillConnectPromise 方法:

    private void fulfillConnectPromise(ChannelPromise promise, boolean wasActive) {
    ...
    // Regardless if the connection attempt was cancelled, channelActive() event should be triggered,
    // because what happened is what happened.
    if (!wasActive && isActive()) {
        pipeline().fireChannelActive();
    }
    ...
}

    我们看到, 在 fulfillConnectPromise 中, 会通过调用 pipeline().fireChannelActive() 将通道激活的消息(即 Socket 连接成功)发送出去.
    而这里, 当调用 pipeline.fireXXX 后, 就是 Inbound 事件的起点.
    因此当调用了 pipeline().fireChannelActive() 后, 就产生了一个 ChannelActive Inbound 事件, 我们就从这里开始看看这个 Inbound 事件是怎么传播的吧.

    @Override
public ChannelPipeline fireChannelActive() {
    head.fireChannelActive();

    if (channel.config().isAutoRead()) {
        channel.read();
    }

    return this;
}

    哈哈, 果然, 在 fireChannelActive 方法中, 调用的是 head.fireChannelActive, 因此可以证明了, Inbound 事件在 Pipeline 中传输的起点是 head.
    那么, 在 head.fireChannelActive() 中又做了什么呢?

    @Override
public ChannelHandlerContext fireChannelActive() {
    final AbstractChannelHandlerContext next = findContextInbound();
    EventExecutor executor = next.executor();
    ...
    next.invokeChannelActive();
    ...
    return this;
}

    上面的代码应该很熟悉了吧. 回想一下在 Outbound 事件(例如 Connect 事件)的传输过程中时, 我们也有类似的操作:

    • 首先调用 findContextInbound, 从 Pipeline 的双向链表中中找到第一个属性 inbound 为真的 Context, 然后返回

    • 调用这个 Context 的 invokeChannelActive

    invokeChannelActive 方法如下:

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

    这个方法和 Outbound 的对应方法(例如 invokeConnect) 如出一辙. 同 Outbound 一样, 如果用户没有重写 channelActive 方法, 那么会调用 ChannelInboundHandlerAdapter 的 channelActive 方法:

    @Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
    ctx.fireChannelActive();
}

    同样地, 在 ChannelInboundHandlerAdapter.channelActive 中, 仅仅调用了 ctx.fireChannelActive 方法, 因此就会有如下循环:

    Context.fireChannelActive -> Connect.findContextInbound -> nextContext.invokeChannelActive -> nextHandler.channelActive -> nextContext.fireChannelActive

    这样的循环中. 同理, tail 本身 既实现了 ChannelInboundHandler 接口, 又实现了 ChannelHandlerContext 接口, 因此当 channelActive 消息传递到 tail 后, 会将消息转递到对应的 ChannelHandler 中处理, 而恰好, tail 的 handler() 返回的就是 tail 本身:

    @Override
public ChannelHandler handler() {
    return this;
}

    因此 channelActive Inbound 事件最终是在 tail 中处理的, 我们看一下它的处理方法:

    @Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { }

    TailContext.channelActive 方法是空的. 如果读者自行查看 TailContext 的 Inbound 处理方法时, 会发现, 它们的实现都是空的. 可见, 如果是 Inbound, 当用户没有实现自定义的处理器时, 那么默认是不处理的.

    用一幅图来总结一下 Inbound 的传输过程吧:

    clipboard.png

    点击此可以看高清无码原图

    总结

    对于 Outbound事件:

    • Outbound 事件是请求事件(由 Connect 发起一个请求, 并最终由 unsafe 处理这个请求)

    • Outbound 事件的发起者是 Channel

    • Outbound 事件的处理者是 unsafe

    • Outbound 事件在 Pipeline 中的传输方向是 tail -> head.

    • 在 ChannelHandler 中处理事件时, 如果这个 Handler 不是最后一个 Hnalder, 则需要调用 ctx.xxx (例如 ctx.connect) 将此事件继续传播下去. 如果不这样做, 那么此事件的传播会提前终止.

    • Outbound 事件流: Context.OUT_EVT -> Connect.findContextOutbound -> nextContext.invokeOUT_EVT -> nextHandler.OUT_EVT -> nextContext.OUT_EVT

    对于 Inbound 事件:

    • Inbound 事件是通知事件, 当某件事情已经就绪后, 通知上层.

    • Inbound 事件发起者是 unsafe

    • Inbound 事件的处理者是 Channel, 如果用户没有实现自定义的处理方法, 那么Inbound 事件默认的处理者是 TailContext, 并且其处理方法是空实现.

    • Inbound 事件在 Pipeline 中传输方向是 head -> tail

    • 在 ChannelHandler 中处理事件时, 如果这个 Handler 不是最后一个 Hnalder, 则需要调用 ctx.fireIN_EVT (例如 ctx.fireChannelActive) 将此事件继续传播下去. 如果不这样做, 那么此事件的传播会提前终止.

    • Outbound 事件流: Context.fireIN_EVT -> Connect.findContextInbound -> nextContext.invokeIN_EVT -> nextHandler.IN_EVT -> nextContext.fireIN_EVT

    outbound 和 inbound 事件十分的镜像, 并且 Context 与 Handler 直接的调用关系是否容易混淆, 因此读者在阅读这里的源码时, 需要特别的注意.

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