Netty 源码阅读学习

背景 

 

最忌工作中接触到Netty相关应用场景，之前看过mima的部分源码，所以最近看了Netty的部分源码和学习其设计思想，做个简单的分享（学习代码为：Netty:3.6.3.FINALE）。

 

Netty概述

官方：Netty is an asynchronous event-driven network application framework for rapid development of maintainable high performance protocol servers & clients.

特点：和Mina，Grizzly一样都是基于nio的通信框架，事件驱动，异步非阻塞，高性能，高可靠性。

Mina和Neety的主导作者都是Trustin Lee. Mina是apache社区提供的一个基于NIO的高性能网络应用程序框架,Trustin Lee离开apache后加入redhat开启了Netty,所以两者的设计思路基本一致，目前Netty的更新更加频繁，文档也比较全。下图为netty官网上的一张体系结构图。

 

源码阅读：

先从Netty的ServerBootstrap初始化到bind()过程梳理

 

bootstrap = new ServerBootstrap(new NioServerSocketChannelFactory(Executors.newCachedThreadPool(serverBossTF),
                Executors.newCachedThreadPool(serverWorkerTF)));

bootstrap.setPipelineFactory(new ChannelPipelineFactory() {
       public ChannelPipeline getPipeline() throws Exception {
              ChannelPipeline pipeline = new DefaultChannelPipeline();
              pipeline.addFirst("firewall", firewall);
              pipeline.addLast("decoder", new NettyProtocolDecoder());
              pipeline.addLast("encoder", new NettyProtocolEncoder());
              pipeline.addLast("handler", serverHandler);
              return pipeline;
       }
});

bootstrap.bind(new InetSocketAddress(bindHost, listenPort));

 

 

以上三步为：

1. 初始化ServerBootstrap，指定其ChannelFactory为NioServerSocketChannelFactory（用来创建NioServerSocketChannel）

2. 为bootstrap指定了PipelineFactory，所有Accepted Channel在创建时会使用该工厂创建一个pipeline处理事件。最后的serverHandler为自定义实现的Handler，最终负责处理请求相关业务逻辑等。

3. 绑定一个端口监听请求

从上面三步可以看到Netty的使用还是比较简单，可以自定义的扩展pipeline和实现自己的Handler。

整个过程屏蔽复杂的nio和多线程并发处理的细节，所以最近通过阅读源码了解Netty的部分实现。

 

NioServerSocketChannelFactory关键构造方法：

 

 

public NioServerSocketChannelFactory(BossPool<NioServerBoss> bossPool, WorkerPool<NioWorker> workerPool) {
       if (bossPool == null) {
              throw new NullPointerException("bossExecutor");
       }
       if (workerPool == null) {
              throw new NullPointerException("workerPool");
       }
       this.bossPool = bossPool;
       this.workerPool = workerPool;
       sink = new NioServerSocketPipelineSink();
}

 bossPool 通过new NioServerBossPool(bossExecutor, bossCount, null)创建，这里bossCount默认为1，这里的boss线程通过new NioServerBoss(executor, determiner)创建，在这里完成Selector.open();主要会处理accept事件。

 

workerPool 通过new NioWorkerPool(workerExecutor, workerCount)创建，workerCount为当前可以cpu数×2(Runtime.getRuntime().availableProcessors() * 2 )，通过new NioWorker(executor, determiner)创建，每个worker持有一个Selector；主要处理数据读写操作。

sink NioServerSocketPipelineSink 接收并处理下行（downstream）末端的ChannelEvent，主要负责执行最终ServerSocketChannel绑定以及注册OP_ACCEPT到Selector上。

 

接下来看bootstrap.bind()

// ServerBootstrap.java --> bindAsync()
// 初始一个Binder，Binder继承自SimpleChannelUpstreamHandler，接收并处理上行的ChannelEvent
Binder binder = new Binder(localAddress);
// 初始化一个bossPipeline，之前初始化那个pipeline是工作线程中用的
ChannelPipeline bossPipeline = pipeline();
// 将binder放入pipline中
bossPipeline.addLast("binder", binder);
... ...
// 获取ServerBootstrap初始化时候初始的NioServerSocketChannelFactory来完成服务端channel创建，创建出的是一个NioServerSocketChannel
Channel channel = getFactory().newChannel(bossPipeline);

 NioServerSocketChannel

// 这是真正java nio的Channel，Netty包装了一层channel的概念
socket = ServerSocketChannel.open();
// 设置为非阻塞模式
socket.configureBlocking(false);
// 将open事件作为一个上行事件丢到pipeline中（由对应的handler来handle事件） 
// 这里的handler从前面的初始化来看就是交给binder来处理，binder继承自SimpleChannelUpstreamHandler，可以处理上行事件
fireChannelOpen(this);

 Binder --> channelOpen()

// 执行Channel的bind， 在pipeline中发送一个BOUND的下行事件
evt.getChannel().bind(localAddress)

 DefaultChannelPipeline

// 这里的sink是初始化时上面提到的NioServerSocketPipelineSink
getSink().eventSunk(this, e);

 NioServerSocketPipelineSink --> eventSunk() --> handleServerSocket()

// 这里的boss是初始化时设置的 NioServerBoss
((NioServerBoss) channel.boss).bind(channel, future, (SocketAddress) value);

 在boss的bind方法中new了一个内部的RegisterTask来完成真正的ServerSocket.bind()及注册到selector上，并唤醒Selector

NioServerBoss --> RegisterTask

//java NIO ServerSocketChannel.bind()操作
channel.socket.socket().bind(localAddress, channel.getConfig().getBacklog());
bound = true;
// 更新future
future.setSuccess();
// 出发一个绑定成功的事件
fireChannelBound(channel, channel.getLocalAddress());
// 向selector中注册OP_ACCEPT事件
channel.socket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT, channel);

 接下来boss线程和worker线程就要开始干活接客了

NioServerBoss 继承自 AbstractNioSelector，其run方法：

public void run() {
       ...
       for (;;) {
              ...
              // 执行 selector.select(SELECT_TIMEOUT)
              // 阻塞等待客户端连接
              int selected = select(selector);
              ....
              
              // 当请求到达唤醒select，处理具体的事件
              // 该抽象方法由NioServerBoss实现
              process(selector);
       }
       ...
}

protected void process(Selector selector) {
       // 获取select出来的SelectionKey，逐个accept
       Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
       for (Iterator<SelectionKey> i = selectedKeys.iterator(); i.hasNext();) {
              NioServerSocketChannel channel = (NioServerSocketChannel) k.attachment();
              
              // accept connections in a for loop until no new connection is ready
        for (;;) {
                     // NIO 的accept，建立和客户端之间的socket连接
                     SocketChannel acceptedSocket = channel.socket.accept();
                     ....
                     registerAcceptedChannel(channel, acceptedSocket, thread);
              }
              ....
       }
}

//将accept成功的SocketChannel交给工作线程处理读写操作 
private static void registerAcceptedChannel(NioServerSocketChannel parent, SocketChannel acceptedSocket,
       Thread currentThread) {
       ....
       ChannelSink sink = parent.getPipeline().getSink();
       ChannelPipeline pipeline =
                     parent.getConfig().getPipelineFactory().getPipeline();
       NioWorker worker = parent.workerPool.nextWorker();
       worker.register(new NioAcceptedSocketChannel(
                     parent.getFactory(), pipeline, parent, sink
                     , acceptedSocket,
                     worker, currentThread), null);
       ....
}

 

总结

以上过程梳理了Netty初始化的主流程，以及NIO服务端的初始化过程（以上红色部分）；顺序梳理完一遍源码，反过来总结下Netty的设计和结构。

代码梳理过程中涉及的核心接口及作用

 

 

Bootstrap:Netty框架启动的工具类，分client，server和udp3种,其核心功能是初始化主channel和pipeline。

ChannelFactory：创建Channel的工厂。针对不同场景，netty提供了各种ChannelFactory，比如ServerChannelFactory用来创建server端的Channel。

Channel：封装了java.nio.channels包中Channel的相关实现，封装了各种IO操作。

ChannelEvent：Netty中几乎所有的操作，都是以事件（ChannelEvent）驱动。事件处理都是通过Channels类的静态方法调用开始的，将事件、channel传递给 channel持有的Pipeline进行处理。ChannelEvent分为两种，upstream events和downstream events。Upstream events指由底层传到高层的事件，一般指socket层发生某些事件通知到应用程序，比如当socket接受到数据后会发送UpstreamMessageEvent事件，交给ChannelHandler来处理。Downstream events指由高层传到底层的事件，一般指用户主动发起的操作，比如用户调用channel.write(buffer)，则会生成DownstreamMessageEvent事件，经过ChannelHandler处理后，交给socket层发起通信。

ChannelHandler：真正的处理类，一般由应用程序自己实现。主要分2个子接口ChannelUpstreamHandler和ChannelDownstreamHandler，分别处理UpstreamEvent和DownstreamEvent。

ChannelPipeline：就是由ChannelHandler（ChannelHanlderContext）组成的双向链表。如果是upstream events，则经过ChannelPipeline中由前往后的所有ChannelUpstreamHandler依次处理，最后事件被丢弃。如果是downstream events，则经过ChannelPipeline中由后往前的所有ChannelDownstreamHandler依次处理，最后事件被转交给ChannelSink。

ChannelSink：所有的downstream events经过ChannelPipeline处理后，最后由ChannelSink的eventSunk方法处理。它是管理IO线程和事件处理的桥梁。

ChannelPipeline的处理流程（源码注释中的流程图）

 

 

 

服务端初始化和接收请求抽象流程

 

 

 

Netty中的Reactor模式

使用Doug Lea大师在Scalable IO in Java中的一张图来说明：

 

 

这里的mainReactor对应了Netty中的NioServerBoss（AbstractNioSelector.run()），被分配到bossPool中执行 ，selector.select(SELECT_TIMEOUT)阻塞。

有客户端连接请求被唤醒后执行accept，然后通过worker.register() 交给subReactor的ThreadPool执行（注册OP_READ到NioWorker的Selector中）；在netty里为workerPool，其中Worker的线程数由WorkerPoo大小决定，从上面初始化代码中看到默认是可用cpu个数*2。

当客户端有数据写入时，NioWorker持有的Selector被唤醒执行read事件，后会触发messageReceived事件，交给pipeline中的handler执行。

这里事件驱动的关键Selector在不同的操作系统中有不同的实现，系统级的select和pool原理都是通过轮询内核中等待中的FD，轮询到就绪的FD后写用户空间，然后唤醒阻塞的Selector；java1.5版本开始支持epoll，epoll则是在等待的FD上注册回调函数（真正的事件驱动），根本的提升了NIO的性能。

 

 

参考资源

Netty官网：http://netty.io/

Mina官网：http://mina.apache.org/

Trustin Lee ：LinkedIn: http://www.linkedin.com/in/trustin

Doug Lea: Scalable IO in Java: http://gee.cs.oswego.edu/dl/cpjslides/nio.pdf

Netty高性能: http://www.infoq.com/cn/articles/netty-high-performance

Netty线程模型：http://www.infoq.com/cn/articles/netty-threading-model

Netty-Mina：http://ifeve.com/netty-mina-in-depth-1/

Select,poll,epoll: http://www.cnblogs.com/xuxm2007/archive/2011/08/15/2139809.html

评论

3 楼 萨琳娜啊 2018-07-10  

Java读源码之Netty深入剖析
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JavaCoder如果没有研究过Netty，那么你对Java语言的使用和理解仅仅停留在表面水平，如果你要进阶，想了解Java服务器的深层高阶知识，Netty绝对是一个必须要过的门槛。

本课程带你从一个Socket例子入手，一步步深入探究Netty各个模块的源码，深入剖析Netty的工作流程和源码设计，让你不但“真懂”也要“会用”

2 楼 小灯笼 2018-06-06  

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1 楼 smart152829 2017-07-01  

很不错的文章，最近看了看了夜行侠老师讲的Netty深入浅出源码剖析，里面用到了长连接高并发，在测试的时候，性能真的比之前的tomcat那些容器好几十倍