【Netty】三、Promise的实现分析

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kamier
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    一、Promise介绍

    JDK的Future接口大家都比较熟悉，它用于表示异步操作的结果。Netty的Future接口继承于JDK原生的Future接口，并在其之上拓展了一些方法，比如注册监听器addListener、移除监听器removeListener、等待异步操作完成await等方法。相关类图如下：

    clipboard.png

    从上图可以看到，Promise接口继承于Netty的Future接口，也在其之上拓展了一些方法，比如设置结果setSuccess、setFailure，设置不可取消setUncancellable等方法。源码如下：

    public interface Promise<V> extends Future<V> {
    // 设置结果为成功
    Promise<V> setSuccess(V result);
    // 尝试设置结果为成功
    boolean trySuccess(V result);
    // 设置结果为失败
    Promise<V> setFailure(Throwable cause);
    // 尝试设置结果为失败
    boolean tryFailure(Throwable cause);
    // 尝试为不可取消
    boolean setUncancellable();
    // 添加监听器
    Promise<V> addListener(GenericFutureListener<? extends Future<? super V>> listener);
    Promise<V> addListeners(GenericFutureListener<? extends Future<? super V>>... listeners);
    // 移除监听器
    Promise<V> removeListener(GenericFutureListener<? extends Future<? super V>> listener);
    Promise<V> removeListeners(GenericFutureListener<? extends Future<? super V>>... listeners);
    // 可中断地等待
    Promise<V> await() throws InterruptedException;
    // 不可中断地等待
    Promise<V> awaitUninterruptibly();
    // 可中断地等待，如果结果为失败，重新抛出异常
    Promise<V> sync() throws InterruptedException;
    // 不可中断地等待，如果结果为失败，重新抛出异常
    Promise<V> syncUninterruptibly();
}

    二、DefaultPromise的实现分析

    DefaultPromise是Promise的默认实现，并且后面经常遇到的DefaultChannelPromise也是继承于它，所以接下来让我们看下DefaultPromise的具体代码实现

    2.1 关键属性

    DefaultPromise的几个关键属性，如下：

    private static final Object SUCCESS = new Object();
private static final Object UNCANCELLABLE = new Object();
private volatile Object result;
private final EventExecutor executor;
private Object listeners;
private short waiters;
private boolean notifyingListeners;
private static final int MAX_LISTENER_STACK_DEPTH = Math.min(8, SystemPropertyUtil.getInt("io.netty.defaultPromise.maxListenerStackDepth", 8));
    • SUCCESS：空对象，表示结果为成功
    • UNCANCELABLE：空对象，表示为不可取消

    • result：代表结果，它的取值有5种情况（Promise可归为3种状态：未完成、成功、失败）

      • null（状态为未完成）
      • 空对象UNCANCELLABLE（状态为未完成）
      • 空对象SUCCESS（状态为成功）
      • CauseHolder对象，包含了异常信息（状态为失败）
      • 正常执行结果（状态为成功）
    • executor：执行器，用于回调监听器
    • listeners：监听器集合
    • waiters：等待当前Promise完成的线程个数
    • notifyingListners：是否正在回调监听器
    • MAX_LISTENER_STACK_DEPTH：字面翻译为监听器最大栈深度，这是当嵌套回调监听器时，防止栈溢出StackOverflowError而设计的，类似如下情况
    public class TestPromise {
    public static void main(String[] args) {
        EventExecutor executor = ImmediateEventExecutor.INSTANCE;
        Promise<String> p1 = new DefaultPromise<>(executor);
        Promise<String> p2 = new DefaultPromise<>(executor);
        Promise<String> p3 = new DefaultPromise<>(executor);
        Promise<String> p4 = new DefaultPromise<>(executor);
        Promise<String> p5 = new DefaultPromise<>(executor);
        Promise<String> p6 = new DefaultPromise<>(executor);
        Promise<String> p7 = new DefaultPromise<>(executor);
        Promise<String> p8 = new DefaultPromise<>(executor);
        Promise<String> p9 = new DefaultPromise<>(executor);
        Promise<String> p10 = new DefaultPromise<>(executor);

        p1.addListener(new MyListener(p2));
        p2.addListener(new MyListener(p3));
        p3.addListener(new MyListener(p4));
        p4.addListener(new MyListener(p5));
        p5.addListener(new MyListener(p6));
        p6.addListener(new MyListener(p7));
        p7.addListener(new MyListener(p8));
        p8.addListener(new MyListener(p9));
        p9.addListener(new MyListener(p10));

        p1.setSuccess(null);
    }

    private static class MyListener implements GenericFutureListener {
        private Promise promise;
        MyListener(Promise promise) {
            this.promise = promise;
        }

        @Override
        public void operationComplete(Future future) throws Exception {
            System.out.println("回调成功");
            promise.setSuccess(null);
        }
    }
}

    2.2 设置结果

    2.2.1 设置结果为成功或失败

    通过setSuccess、setFailure方法来设置Promise的最终结果result，源码如下

    // 设置Promise的最终结果为参数result，如果设置失败，则抛出异常
public Promise<V> setSuccess(V result) {
    if (setSuccess0(result)) {
        return this;
    }
    throw new IllegalStateException("complete already: " + this);
}

// 设置Promise的最终结果为new CauseHolder(cause)，如果设置失败，则抛出异常
public Promise<V> setFailure(Throwable cause) {
    if (setFailure0(cause)) {
        return this;
    }
    throw new IllegalStateException("complete already: " + this, cause);
}

private boolean setSuccess0(V result) {
    // 如果传入的result为null，则设置最终结果为SUCCESS
    return setValue0(result == null ? SUCCESS : result);
}

private boolean setFailure0(Throwable cause) {
    // 将传入的cause封装为CauseHolder对象，并设置为最终结果
    return setValue0(new CauseHolder(checkNotNull(cause, "cause")));
}

private boolean setValue0(Object objResult) {
    /**
     * 最终结果result为null，表示当前Promise处于未完成状态
     * 最终结果result为UNCANCELLABLE，表示当前Promise不可取消，也是处于未完成状态
     * 通过CAS操作来更新最终结果，如果更新成功，唤醒等待当前Promise的线程，并且回调监听器
     * 如果更新失败，直接返回false
     */
    if (RESULT_UPDATER.compareAndSet(this, null, objResult) ||
        RESULT_UPDATER.compareAndSet(this, UNCANCELLABLE, objResult)) {
        // 唤醒等待当前Promise的线程    
        if (checkNotifyWaiters()) {
            // 回调监听器
            notifyListeners();
        }
        return true;
    }
    return false;
}

    2.2.2 设置为UNCANCELLABLE（不可取消）

    当Promise未完成时，通过setUncancellable()方法将最终结果result暂时更新为UNCANCELLABLE，后续调用cancel()将都会返回false，当Promise完成后，会再将最终结果result更新为完成结果。

    public boolean setUncancellable() {
    // CAS操作将最终结果result暂时更新为UNCANCELLABLE
    if (RESULT_UPDATER.compareAndSet(this, null, UNCANCELLABLE)) {
        return true;
    }
    Object result = this.result;
    return !isDone0(result) || !isCancelled0(result);
}

    2.3 利用wait/notify机制来实现等待唤醒

    2.3.1 等待完成await

    await方法可以使当前线程等待Promise完成，其大致流程为：

    1. 判断Promise是否已完成，如果是，直接返回，否则下一步
    2. 判断当前线程是否已被中断，如果是，直接抛出异常，否则下一步
    3. 检查当前线程对应的执行器是否是EventLoop，如果是，直接抛出异常，否则下一步
    4. synchronized加锁，再次判断Promise是否已完成
      如果是，直接返回
      如果不是，waiters加1，并调用wait()方法进入等待唤醒状态，当被唤醒时，waiters减1

    源码如下：

    public Promise<V> await() throws InterruptedException {
    // 判断是否已完成，如果是，直接返回
    if (isDone()) {
        return this;
    }
    // 判断当前线程是否已被中断，如果是，直接抛出异常
    if (Thread.interrupted()) {
        throw new InterruptedException(toString());
    }
    // 检测当前线程对应的执行器是否是EventLoop，如果是，则判定为死锁，直接抛出异常
    checkDeadLock();

    synchronized (this) {
        while (!isDone()) {
            incWaiters();        // waiters加1
            try {
                wait();          // 释放锁，并等待唤醒
            } finally {
                decWaiters();    // waiters减1
            }
        }
    }
    return this;
}

    2.3.2 唤醒等待的线程

    通过checkNotifyWaiters来唤醒等待的线程，如下：

    private synchronized boolean checkNotifyWaiters() {
    if (waiters > 0) {    // 如果waiters大于0，表示有等待的线程，唤醒所有等待线程
        notifyAll();
    }
    return listeners != null;
}

    那么何时唤醒等待的线程呢？

    1. 当成功设置最终结果之后，会唤醒等待的线程
    2. 当调用cancel方法来成功取消Promise时，会唤醒等待的线程

    2.4 注册、移除监听器以及回调监听器

    2.4.1 注册、移除监听器

    • 通过addListener来注册监听器，如果Promise已完成，直接回调监听器
    • 通过removeListener来移除监听器
    // 注册监听器
public Promise<V> addListener(GenericFutureListener<? extends Future<? super V>> listener) {
    checkNotNull(listener, "listener");
    // 加锁
    synchronized (this) {
        addListener0(listener);    // 注册监听器
    }
    // 判断是否已完成，如果已完成，直接回调监听器
    if (isDone()) {
        notifyListeners();
    }

    return this;
}
private void addListener0(GenericFutureListener<? extends Future<? super V>> listener) {
    if (listeners == null) {    // 首次注册监听器
        listeners = listener;
    } else if (listeners instanceof DefaultFutureListeners) {    // 第三次及以后注册监听器
        ((DefaultFutureListeners) listeners).add(listener);
    } else {    // 第二次注册监听器
        listeners = new DefaultFutureListeners((GenericFutureListener<?>) listeners, listener);
    }
}

// 移除监听器
public Promise<V> removeListener(final GenericFutureListener<? extends Future<? super V>> listener) {
    checkNotNull(listener, "listener");
    // 加锁
    synchronized (this) {
        removeListener0(listener);    // 移除监听器
    }

    return this;
}

private void removeListener0(GenericFutureListener<? extends Future<? super V>> listener) {
    if (listeners instanceof DefaultFutureListeners) {
        // 移除对应的监听器
        ((DefaultFutureListeners) listeners).remove(listener);
    } else if (listeners == listener) {  // 原本只注册了一个监听器
        listeners = null;
    }
}

    2.4.2 回调监听器

    当Promise完成时，会回调已经注册过的监听器，回调监听器的源码如下：

    // 回调监听器
private void notifyListeners() {
    EventExecutor executor = executor();
    // 判断当前线程是否EventLoop绑定的线程是同一个
    if (executor.inEventLoop()) {
        final InternalThreadLocalMap threadLocals = InternalThreadLocalMap.get();
        final int stackDepth = threadLocals.futureListenerStackDepth();
        // 判断是否小于MAX_LISTENER_STACK_DEPTH
        if (stackDepth < MAX_LISTENER_STACK_DEPTH) {
            threadLocals.setFutureListenerStackDepth(stackDepth + 1);
            try {
                // 回调监听器
                notifyListenersNow();
            } finally {
                threadLocals.setFutureListenerStackDepth(stackDepth);
            }
            return;
        }
    }
    // 安全执行，防止当前线程抛出StackOverflowError导致
    safeExecute(executor, new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            notifyListenersNow();
        }
    });
}

private void notifyListenersNow() {
    Object listeners;
    // 加锁
    synchronized (this) {
        // 如果当前Promise正在回调监听器，或者没有注册监听器，直接返回
        if (notifyingListeners || this.listeners == null) {
            return;
        }
        notifyingListeners = true;    // 表示正在回调监听器
        listeners = this.listeners;
        this.listeners = null;
    }
    for (;;) {
        if (listeners instanceof DefaultFutureListeners) {
            // 遍历监听器，并逐一回调
            notifyListeners0((DefaultFutureListeners) listeners);
        } else {
            // 回调单个监听器
            notifyListener0(this, (GenericFutureListener<?>) listeners);
        }
        synchronized (this) {
            // 当this.listeners等于null，表示当前Promise已经没有可回调的监听器了
            if (this.listeners == null) {
                notifyingListeners = false;
                return;
            }
            listeners = this.listeners;
            this.listeners = null;
        }
    }
}

// 回调单个监听器
private static void notifyListener0(Future future, GenericFutureListener l) {
    try {
        l.operationComplete(future);
    } catch (Throwable t) {
        if (logger.isWarnEnabled()) {
            logger.warn("An exception was thrown by " + l.getClass().getName() + ".operationComplete()", t);
        }
    }
}

    三、总结

    Netty中所有的异步操作都是通过Promise来实现的，所以理解Promise对于我们后续深入理解Netty是很有必要的。

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