Netty4.x 源码实战系列（一）：ServerBootstrap 与 Bootstrap 初探

从Java1.4开始， Java引入了non-blocking IO，简称NIO。NIO与传统socket最大的不同就是引入了Channel和多路复用selector的概念。传统的socket是基于stream的，它是单向的，有InputStream表示read和OutputStream表示写。而Channel是双工的，既支持读也支持写，channel的读/写都是面向Buffer。 NIO中引入的多路复用Selector机制（如果是linux系统，则应用的epoll事件通知机制）可使一个线程同时监听多个Channel上发生的事件。虽然Java NIO相比于以往确实是一个大的突破，但是如果要真正上手进行开发，且想要开发出好的一个服务端网络程序，那么你得要花费一点功夫了，毕竟Java NIO只是提供了一大堆的API而已，对于一般的软件开发人员来说只能呵呵了。因此，社区中就涌现了很多基于Java NIO的网络应用框架，其中以Apache的Mina，以及Netty最为出名，从本篇开始我们将深入的分析一下Netty的内部实现细节。

本系列是基于Netty4.1.18这个版本。

在分析源码之前，我们还是先看看Netty官方的样例代码，了解一下Netty一般是如何进行服务端及客户端开发的。

Netty服务端示例：

EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(); // (1)
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
try {
    ServerBootstrap b = new ServerBootstrap(); // (2)
    b.group(bossGroup, workerGroup)　　// (3)
     .channel(NioServerSocketChannel.class) // (4)
     .handler(new LoggingHandler())    // (5)
     .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { // (6)
         @Override
         public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
             ch.pipeline().addLast(new DiscardServerHandler());
         }
     })
     .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128)          // (7)
     .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true); // (8)
    
     // Bind and start to accept incoming connections.
     ChannelFuture f = b.bind(port).sync(); // (9)
    
     // Wait until the server socket is closed.
     // In this example, this does not happen, but you can do that to gracefully
     // shut down your server.
     f.channel().closeFuture().sync();
} finally {
    workerGroup.shutdownGracefully();
    bossGroup.shutdownGracefully();
}

上面这段代码展示了服务端的一个基本步骤：

1、初始化用于Acceptor的主"线程池"以及用于I/O工作的从"线程池"；
2、初始化ServerBootstrap实例，此实例是netty服务端应用开发的入口，也是本篇介绍的重点，下面我们会深入分析；
3、通过ServerBootstrap的group方法，设置（1）中初始化的主从"线程池"；
4、指定通道channel的类型，由于是服务端，故而是NioServerSocketChannel；
5、设置ServerSocketChannel的处理器（此处不详述，后面的系列会进行深入分析）
6、设置子通道也就是SocketChannel的处理器，其内部是实际业务开发的"主战场"（此处不详述，后面的系列会进行深入分析）
7、配置ServerSocketChannel的选项
8、配置子通道也就是SocketChannel的选项
9、绑定并侦听某个端口

接着，我们再看看客户端是如何开发的：

Netty客户端示例：

public class TimeClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String host = args[0];
        int port = Integer.parseInt(args[1]);
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(); // (1)
        
        try {
            Bootstrap b = new Bootstrap(); // (2)
            b.group(workerGroup); // (3)
            b.channel(NioSocketChannel.class); // (4)
            b.option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true); // (5)
            b.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { // (6)
                @Override
                public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                    ch.pipeline().addLast(new TimeClientHandler());
                }
            });
            
            // Start the client.
            ChannelFuture f = b.connect(host, port).sync(); // (7)

            // Wait until the connection is closed.
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

客户端的开发步骤和服务端都差不多：

1、初始化用于连接及I/O工作的"线程池"；
2、初始化Bootstrap实例，此实例是netty客户端应用开发的入口，也是本篇介绍的重点，下面我们会深入分析；
3、通过Bootstrap的group方法，设置（1）中初始化的"线程池"；
4、指定通道channel的类型，由于是客户端，故而是NioSocketChannel；
5、设置SocketChannel的选项（此处不详述，后面的系列会进行深入分析）；
6、设置SocketChannel的处理器，其内部是实际业务开发的"主战场"（此处不详述，后面的系列会进行深入分析）；
7、连接指定的服务地址；

通过对上面服务端及客户端代码分析，Bootstrap是Netty应用开发的入口，如果想要理解Netty内部的实现细节，那么有必要先了解一下Bootstrap内部的实现机制。

首先我们先看一下ServerBootstrap及Bootstrap的类继承结构图：
bootstrap类继承结构图

通过类图我们知道AbstractBootstrap类是ServerBootstrap及Bootstrap的基类，我们先看一下AbstractBootstrap类的主要代码：

public abstract class AbstractBootstrap<B extends AbstractBootstrap<B, C>, C extends Channel> implements Cloneable {

    volatile EventLoopGroup group;
    private volatile ChannelFactory<? extends C> channelFactory;
    private final Map<ChannelOption<?>, Object> options = new LinkedHashMap<ChannelOption<?>, Object>();
    private final Map<AttributeKey<?>, Object> attrs = new LinkedHashMap<AttributeKey<?>, Object>();
    private volatile ChannelHandler handler;

    
    public B group(EventLoopGroup group) {
        if (group == null) {
            throw new NullPointerException("group");
        }
        if (this.group != null) {
            throw new IllegalStateException("group set already");
        }
        this.group = group;
        return self();
    }

    private B self() {
        return (B) this;
    }

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

    @Deprecated
    public B channelFactory(ChannelFactory<? extends C> channelFactory) {
        if (channelFactory == null) {
            throw new NullPointerException("channelFactory");
        }
        if (this.channelFactory != null) {
            throw new IllegalStateException("channelFactory set already");
        }

        this.channelFactory = channelFactory;
        return self();
    }

    public B channelFactory(io.netty.channel.ChannelFactory<? extends C> channelFactory) {
        return channelFactory((ChannelFactory<C>) channelFactory);
    }

    public <T> B option(ChannelOption<T> option, T value) {
        if (option == null) {
            throw new NullPointerException("option");
        }
        if (value == null) {
            synchronized (options) {
                options.remove(option);
            }
        } else {
            synchronized (options) {
                options.put(option, value);
            }
        }
        return self();
    }

    public <T> B attr(AttributeKey<T> key, T value) {
        if (key == null) {
            throw new NullPointerException("key");
        }
        if (value == null) {
            synchronized (attrs) {
                attrs.remove(key);
            }
        } else {
            synchronized (attrs) {
                attrs.put(key, value);
            }
        }
        return self();
    }

    public B validate() {
        if (group == null) {
            throw new IllegalStateException("group not set");
        }
        if (channelFactory == null) {
            throw new IllegalStateException("channel or channelFactory not set");
        }
        return self();
    }

    public ChannelFuture bind(int inetPort) {
        return bind(new InetSocketAddress(inetPort));
    }

    public ChannelFuture bind(SocketAddress localAddress) {
        validate();
        if (localAddress == null) {
            throw new NullPointerException("localAddress");
        }
        return doBind(localAddress);
    }

    private ChannelFuture doBind(final SocketAddress localAddress) {
        final ChannelFuture regFuture = initAndRegister();
        final Channel channel = regFuture.channel();
        if (regFuture.cause() != null) {
            return regFuture;
        }

        if (regFuture.isDone()) {
            // At this point we know that the registration was complete and successful.
            ChannelPromise promise = channel.newPromise();
            doBind0(regFuture, channel, localAddress, promise);
            return promise;
        } else {
            // Registration future is almost always fulfilled already, but just in case it's not.
            final PendingRegistrationPromise promise = new PendingRegistrationPromise(channel);
            regFuture.addListener(new ChannelFutureListener() {
                @Override
                public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {
                    Throwable cause = future.cause();
                    if (cause != null) {
                        // Registration on the EventLoop failed so fail the ChannelPromise directly to not cause an
                        // IllegalStateException once we try to access the EventLoop of the Channel.
                        promise.setFailure(cause);
                    } else {
                        // Registration was successful, so set the correct executor to use.
                        // See https://github.com/netty/netty/issues/2586
                        promise.registered();

                        doBind0(regFuture, channel, localAddress, promise);
                    }
                }
            });
            return promise;
        }
    }

    final ChannelFuture initAndRegister() {
        Channel channel = null;
        try {
            channel = channelFactory.newChannel();
            init(channel);
        } catch (Throwable t) {
            if (channel != null) {
                // channel can be null if newChannel crashed (eg SocketException("too many open files"))
                channel.unsafe().closeForcibly();
            }
            // as the Channel is not registered yet we need to force the usage of the GlobalEventExecutor
            return new DefaultChannelPromise(channel, GlobalEventExecutor.INSTANCE).setFailure(t);
        }

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

        return regFuture;
    }

    abstract void init(Channel channel) throws Exception;

    private static void doBind0(
            final ChannelFuture regFuture, final Channel channel,
            final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise) {

        // This method is invoked before channelRegistered() is triggered.  Give user handlers a chance to set up
        // the pipeline in its channelRegistered() implementation.
        channel.eventLoop().execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                if (regFuture.isSuccess()) {
                    channel.bind(localAddress, promise).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE_ON_FAILURE);
                } else {
                    promise.setFailure(regFuture.cause());
                }
            }
        });
    }

    public B handler(ChannelHandler handler) {
        if (handler == null) {
            throw new NullPointerException("handler");
        }
        this.handler = handler;
        return self();
    }public abstract AbstractBootstrapConfig<B, C> config();

}

现在我们以示例代码为出发点，来详细分析一下引导类内部实现细节：

1、首先看看服务端的b.group(bossGroup, workerGroup)：

调用ServerBootstrap的group方法，设置react模式的主线程池以及 IO 操作线程池，ServerBootstrap中的group代码如下：

public ServerBootstrap group(EventLoopGroup parentGroup, EventLoopGroup childGroup) {
        super.group(parentGroup);
        if (childGroup == null) {
            throw new NullPointerException("childGroup");
        }
        if (this.childGroup != null) {
            throw new IllegalStateException("childGroup set already");
        }
        this.childGroup = childGroup;
        return this;
    }

在group方法中，会继续调用父类的group方法，而通过类继承图我们知道，super.group(parentGroup)其实调用的就是AbstractBootstrap的group方法。AbstractBootstrap中group代码如下：

public B group(EventLoopGroup group) {
        if (group == null) {
            throw new NullPointerException("group");
        }
        if (this.group != null) {
            throw new IllegalStateException("group set already");
        }
        this.group = group;
        return self();
    }

通过以上分析，我们知道了AbstractBootstrap中定义了主线程池group的引用，而子线程池childGroup的引用是定义在ServerBootstrap中。

当我们查看客户端Bootstrap的group方法时，我们发现，其是直接调用的父类AbstractBoostrap的group方法。

2、示例代码中的 channel()方法

无论是服务端还是客户端，channel调用的都是基类的channel方法，其实现细节如下：

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

public B channelFactory(ChannelFactory<? extends C> channelFactory) {
    if (channelFactory == null) {
        throw new NullPointerException("channelFactory");
    }
    if (this.channelFactory != null) {
        throw new IllegalStateException("channelFactory set already");
    }

    this.channelFactory = channelFactory;
    return self();
}

我们发现，其实channel方法内部，只是初始化了一个用于生产指定channel类型的工厂实例。

3、option / handler / attr 方法

option： 设置通道的选项参数，对于服务端而言就是ServerSocketChannel，客户端而言就是SocketChannel；

　 handler： 设置主通道的处理器，对于服务端而言就是ServerSocketChannel，也就是用来处理Acceptor的操作；

　　　　　　对于客户端的SocketChannel，主要是用来处理业务操作；

attr： 设置通道的属性；

　option / handler / attr方法都定义在AbstractBootstrap中，所以服务端和客户端的引导类方法调用都是调用的父类的对应方法。

4、childHandler / childOption / childAttr 方法（只有服务端ServerBootstrap才有child类型的方法）

　对于服务端而言，有两种通道需要处理，一种是ServerSocketChannel：用于处理用户连接的accept操作，另一种是SocketChannel，表示对应客户端连接。而对于客户端，一般都只有一种channel，也就是SocketChannel。

　因此以child开头的方法，都定义在ServerBootstrap中，表示处理或配置服务端接收到的对应客户端连接的SocketChannel通道。

　 childHandler / childOption / childAttr 在ServerBootstrap中的对应代码如下：

public ServerBootstrap childHandler(ChannelHandler childHandler) {
    if (childHandler == null) {
        throw new NullPointerException("childHandler");
    }
    this.childHandler = childHandler;
    return this;
}

public <T> ServerBootstrap childOption(ChannelOption<T> childOption, T value) {
    if (childOption == null) {
        throw new NullPointerException("childOption");
    }
    if (value == null) {
        synchronized (childOptions) {
            childOptions.remove(childOption);
        }
    } else {
        synchronized (childOptions) {
            childOptions.put(childOption, value);
        }
    }
    return this;
}

public <T> ServerBootstrap childAttr(AttributeKey<T> childKey, T value) {
    if (childKey == null) {
        throw new NullPointerException("childKey");
    }
    if (value == null) {
        childAttrs.remove(childKey);
    } else {
        childAttrs.put(childKey, value);
    }
    return this;
}

至此，引导类的属性配置都设置完毕了。

本篇总结：

1、服务端由两种线程池，用于Acceptor的React主线程和用于I/O操作的React从线程池；客户端只有用于连接及IO操作的React的主线程池；

2、ServerBootstrap中定义了服务端React的"从线程池"对应的相关配置，都是以child开头的属性。而用于"主线程池"channel的属性都定义在AbstractBootstrap中；

本篇只是简单介绍了一下引导类的配置属性，下一篇我将详细介绍服务端引导类的Bind过程分析。

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