原文：https://wangwei.one/posts/netty-channel-source-analyse.html
前面，我们大致了解了Netty中的几个核心组件。今天我们就来先来介绍Netty的网络通信组件，用于执行网络I/O操作 —— Channel。
Netty版本：4.1.30
概述
数据在网络中总是以字节的形式进行流通。我们在进行网络编程时选用何种传输方式编码（OIO、NIO等）决定了这些字节的传输方式。
在没有Netty之前，为了提升系统的并发能力，从OIO切换到NIO时，需要对代码进行大量的重构，因为相应的Java NIO 与 IO API大不相同。而Netty在这些Java原生API的基础上做了一层封装，对用户提供了高度抽象而又统一的API，从而让传输方式的切换不在变得困难，只需要直接使用即可，而不需要对整个代码进行重构。
Netty Channel UML
netty channel族如下：
![NettyChannel]( "NettyChannel")
整个族群中，AbstractChannel 是最为关键的一个抽象类，从它继承出了AbstractNioChannel、AbstractOioChannel、AbstractEpollChannel、LocalChannel、EmbeddedChannel等类，每个类代表了不同的协议以及相应的IO模型。除了 TCP 协议以外，Netty 还支持很多其他的连接协议，并且每种协议还有 NIO(异步 IO) 和 OIO(Old-IO，即传统的阻塞 IO) 版本的区别. 不同协议不同的阻塞类型的连接都有不同的 Channel 类型与之对应。下面是一些常用的 Channel 类型：
- NioSocketChannel：代表异步的客户端 TCP Socket 连接
- NioServerSocketChannel：异步的服务器端 TCP Socket 连接
- NioDatagramChannel：异步的 UDP 连接
- NioSctpChannel：异步的客户端 Sctp 连接
- NioSctpServerChannel：异步的 Sctp 服务器端连接
- OioSocketChannel：同步的客户端 TCP Socket 连接
- OioServerSocketChannel：同步的服务器端 TCP Socket 连接
- OioDatagramChannel：同步的 UDP 连接
- OioSctpChannel：同步的 Sctp 服务器端连接
- OioSctpServerChannel：同步的客户端 TCP Socket 连接
Channel API
我们先来看下最顶层接口 channel 主要的API，常用的如下：
| 接口名 |
描述 |
| eventLoop() |
Channel需要注册到EventLoop的多路复用器上，用于处理I/O事件，通过eventLoop()方法可以获取到Channel注册的EventLoop。EventLoop本质上就是处理网络读写事件的Reactor线程。在Netty中，它不仅仅用来处理网络事件，也可以用来执行定时任务和用户自定义NioTask等任务。 |
| pipeline() |
返回channel分配的ChannelPipeline |
| isActive() |
判断channel是否激活。激活的意义取决于底层的传输类型。例如，一个Socket传输一旦连接到了远程节点便是活动的，而一个Datagram传输一旦被打开便是活动的 |
| localAddress() |
返回本地的socket地址 |
| remoteAddress() |
返回远程的socket地址 |
| flush() |
将之前已写的数据冲刷到底层Channel上去 |
| write(Object msg) |
请求将当前的msg通过ChannelPipeline写入到目标Channel中。注意，write操作只是将消息存入到消息发送环形数组中，并没有真正被发送，只有调用flush操作才会被写入到Channel中，发送给对方。 |
| writeAndFlush() |
等同于调用write()并接着调用flush() |
| metadate() |
熟悉TCP协议的读者可能知道，当创建Socket的时候需要指定TCP参数，例如接收和发送的TCP缓冲区大小，TCP的超时时间。是否重用地址等。在Netty中，每个Channel对应一个物理链接，每个连接都有自己的TCP参数配置。所以，Channel会聚合一个ChannelMetadata用来对TCP参数提供元数据描述信息，通过metadata()方法就可以获取当前Channel的TCP参数配置。 |
| read() |
从当前的Channel中读取数据到第一个inbound缓冲区中，如果数据被成功读取，触发ChannelHandler.channelRead(ChannelHandlerContext,Object)事件。读取操作API调用完成后，紧接着会触发ChannelHander.channelReadComplete（ChannelHandlerContext）事件，这样业务的ChannelHandler可以决定是否需要继续读取数据。如果已经有操作请求被挂起，则后续的读操作会被忽略。 |
| close(ChannelPromise promise) |
主动关闭当前连接，通过ChannelPromise设置操作结果并进行结果通知，无论操作是否成功，都可以通过ChannelPromise获取操作结果。该操作会级联触发ChannelPipeline中所有ChannelHandler的ChannelHandler.close(ChannelHandlerContext，ChannelPromise)事件。 |
| parent() |
对于服务端Channel而言，它的父Channel为空；对于客户端Channel，它的父Channel就是创建它的ServerSocketChannel。 |
| id() |
返回ChannelId对象，ChannelId是Channel的唯一标识。 |
Channel创建
对Netty Channel API以及相关的类有了一个初步了解之后，接下来我们来详细了解一下在Netty的启动过程中Channel是如何创建的。服务端Channel的创建过程，主要分为四个步骤：1）Channel创建；2）Channel初始化；3）Channel注册；4）Channel绑定。
![Netty Channel Process]( "Netty Channel Process")
我们以下面的代码为例进行解析：
// 创建两个线程组,专门用于网络事件的处理，Reactor线程组
// 用来接收客户端的连接，
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
// 用来进行SocketChannel的网络读写
EventLoopGroup workGroup = new NioEventLoopGroup();
// 创建辅助启动类ServerBootstrap，并设置相关配置：
ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
// 设置处理Accept事件和读写操作的事件循环组
b.group(bossGroup, workGroup)
// 配置Channel类型
.channel(NioServerSocketChannel.class)
// 配置监听地址
.localAddress(new InetSocketAddress(port))
// 设置服务器通道的选项，设置TCP属性
.option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, Boolean.TRUE)
// 设置建立连接后的客户端通道的选项
.childOption(ChannelOption.CONNECT_TIMEOUT_MILLIS, 5000)
// channel属性，便于保存用户自定义数据
.attr(AttributeKey.newInstance("UserId"), "60293")
.handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))
// 设置子处理器，主要是用户的自定义处理器，用于处理IO网络事件
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ch.pipeline().addLast(serverHandler);
}
});
// 调用bind()方法绑定端口，sync()会阻塞等待处理请求。这是因为bind()方法是一个异步过程，会立即返回一个ChannelFuture对象，调用sync()会等待执行完成
ChannelFuture f = b.bind().sync();
// 获得Channel的closeFuture阻塞等待关闭，服务器Channel关闭时closeFuture会完成
f.channel().closeFuture().sync();
调用channel()接口设置 AbstractBootstrap 的成员变量 channelFactory，该变量顾名思义就是用于创建channel的工厂类。源码如下：
...
public B channel(Class<? extends C> channelClass) {
if (channelClass == null) {
throw new NullPointerException("channelClass");
}
// 创建 channelFactory
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 (B) this;
}
...
channelFactory 设置为 ReflectiveChannelFactory ，在我们这个例子中 clazz 为 NioServerSocketChannel ，我们可以看到其中有个 newChannel() 接口，通过反射的方式来调用，这个接口的调用处我们后面会介绍到。源码如下：
// Channel工厂类
public class ReflectiveChannelFactory<T extends Channel> implements ChannelFactory<T> {
private final Class<? extends T> clazz;
public ReflectiveChannelFactory(Class<? extends T> clazz) {
if (clazz == null) {
throw new NullPointerException("clazz");
}
this.clazz = clazz;
}
@Override
public T newChannel() {
try {
// 通过反射来进行常见Channel实例
return clazz.newInstance();
} catch (Throwable t) {
throw new ChannelException("Unable to create Channel from class " + clazz, t);
}
}
@Override
public String toString() {
return StringUtil.simpleClassName(clazz) + ".class";
}
}
接下来我们来看下 NioServerSocketChannel 的构造函数，主要就是：
- 生成ServerSocketChannel对象。NioServerSocketChannel创建时，首先使用SelectorProvider的openServerSocketChannel打开服务器套接字通道。SelectorProvider是Java的NIO提供的抽象类，是选择器和可选择通道的服务提供者。具体的实现类有SelectorProviderImpl，EPollSelectorProvide，PollSelectorProvider。选择器的主要工作是根据操作系统类型和版本选择合适的Provider：如果LInux内核版本>=2.6则，具体的SelectorProvider为EPollSelectorProvider，否则为默认的PollSelectorProvider。
- 设置 ServerSocketChannelConfig 成员变量。
private static ServerSocketChannel newSocket(SelectorProvider provider) {
try {
// 调用JDK底层API生成 ServerSocketChannel 对象实例
return provider.openServerSocketChannel();
} catch (IOException e) {
throw new ChannelException("Failed to open a server socket.", e);
}
}
private final ServerSocketChannelConfig config;
public NioServerSocketChannel() {
this(newSocket(DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER));
}
public NioServerSocketChannel(SelectorProvider provider) {
this(newSocket(provider));
}
public NioServerSocketChannel(ServerSocketChannel channel) {
// 调用 AbstractNioChannel 构造器，创建 NioServerSocketChannel，设置SelectionKey为ACCEPT
super(null, channel, SelectionKey.OP_ACCEPT);
// 创建ChannleConfig对象,主要是TCP参数配置类
config = new NioServerSocketChannelConfig(this, javaChannel().socket());
}
AbstractNioChannel 的构造器如下：
protected AbstractNioChannel(Channel parent, SelectableChannel ch, int readInterestOp) {
// 调用 AbstractChannel 构造器
super(parent);
this.ch = ch;
// 从上一步过来，这里设置为 SelectionKey.OP_ACCEPT
this.readInterestOp = readInterestOp;
try {
// 设置为非阻塞状态
ch.configureBlocking(false);
} catch (IOException e) {
try {
ch.close();
} catch (IOException e2) {
if (logger.isWarnEnabled()) {
logger.warn("Failed to close a partially initialized socket.", e2);
}
}
throw new ChannelException("Failed to enter non-blocking mode.", e);
}
}
在 AbstractChannel 构造器中，会设Channel关联的三个核心对象：ChannelId、ChannelPipeline、Unsafe。
- 初始化ChannelId，ChannelId是一个全局唯一的值；
- 创建 NioMessageUnsafe 实例，该类为Channel提供了用于完成网络通讯相关的底层操作，如connect(),read(),register(),bind(),close()等；
- 为Channel创建DefaultChannelPipeline，初始事件传播管道。关于Pipeline的分析，请看 后文 的分析。
protected AbstractChannel(Channel parent) {
this.parent = parent;
// 设置ChannelId
id = newId();
// 设置Unsafe
unsafe = newUnsafe();
// 设置Pipeline
pipeline = newChannelPipeline();
}
从 NioServerSocketChannelConfig 的构造函数追溯下去，在 DefaultChannelConfig 会设置channel成员变量。
public DefaultChannelConfig(Channel channel) {
this(channel, new AdaptiveRecvByteBufAllocator());
}
protected DefaultChannelConfig(Channel channel, RecvByteBufAllocator allocator) {
setRecvByteBufAllocator(allocator, channel.metadata());
// 绑定channel
this.channel = channel;
}
以上就是channel创建的过程，总结一下:
- 通过 ReflectiveChannelFactory 工厂类，以反射的方式对channel进行创建；
- channel创建的过程中，会创建四个重要的对象：ChannelId、ChannelConfig、ChannelPipeline、Unsafe。
Channel初始化
主要分为以下两步：
- 将启动器（Bootstrap）设置的选项和属性设置到NettyChannel上面
- 向Pipeline添加初始化Handler，供注册后使用
我们从 AbstractBootstrap 的 bind() 接口进去，调用链：bind() —> doBind(localAddress) —> initAndRegister() —> init(Channel channel)，我们看下 ServerBootstrap 中 init() 接口的实现：
final ChannelFuture initAndRegister() {
Channel channel = null;
try {
// 调用Channel工程类的newChannel()接口，创建channel，就是前面我们讲的部分内容
channel = channelFactory.newChannel();
// 初始化channel
init(channel);
} catch (Throwable t) {
....
}
初始化Channel，我们来重点看下 init(channel) 接口：
void init(Channel channel) throws Exception {
// 获取启动器 启动时配置的option参数，主要是TCP的一些属性
final Map<ChannelOption<?>, Object> options = options0();
// 将获得到 options 配置到 ChannelConfig 中去
synchronized (options) {
setChannelOptions(channel, options, logger);
}
// 获取 ServerBootstrap 启动时配置的 attr 参数
final Map<AttributeKey<?>, Object> attrs = attrs0();
// 配置 Channel attr，主要是设置用户自定义的一些参数
synchronized (attrs) {
for (Entry<AttributeKey<?>, Object> e: attrs.entrySet()) {
@SuppressWarnings("unchecked")
AttributeKey<Object> key = (AttributeKey<Object>) e.getKey();
channel.attr(key).set(e.getValue());
}
}
// 获取channel中的 pipeline，这个pipeline使我们前面在channel创建过程中设置的 pipeline
ChannelPipeline p = channel.pipeline();
// 将启动器中配置的 childGroup 保存到局部变量 currentChildGroup
final EventLoopGroup currentChildGroup = childGroup;
// 将启动器中配置的 childHandler 保存到局部变量 currentChildHandler
final ChannelHandler currentChildHandler = childHandler;
final Entry<ChannelOption<?>, Object>[] currentChildOptions;
final Entry<AttributeKey<?>, Object>[] currentChildAttrs;
// 保存用户设置的 childOptions 到局部变量 currentChildOptions
synchronized (childOptions) {
currentChildOptions = childOptions.entrySet().toArray(newOptionArray(childOptions.size()));
}
// 保存用户设置的 childAttrs 到局部变量 currentChildAttrs
synchronized (childAttrs) {
currentChildAttrs = childAttrs.entrySet().toArray(newAttrArray(childAttrs.size()));
}
p.addLast(new ChannelInitializer<Channel>() {
@Override
public void initChannel(final Channel ch) throws Exception {
final ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
// 获取启动器上配置的handler
ChannelHandler handler = config.handler();
if (handler != null) {
// 添加 handler 到 pipeline 中
pipeline.addLast(handler);
}
ch.eventLoop().execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 用child相关的参数创建出一个新连接接入器ServerBootstrapAcceptor
// 通过 ServerBootstrapAcceptor 可以将一个新连接绑定到一个线程上去
// 每次有新的连接进来 ServerBootstrapAcceptor 都会用child相关的属性对它们进行配置，并注册到ChaildGroup上去
pipeline.addLast(new ServerBootstrapAcceptor(
ch, currentChildGroup, currentChildHandler, currentChildOptions, currentChildAttrs));
}
});
}
});
}
对于新连接接入器 ServerBootstrapAcceptor 的分析 ，请查看 后文
Channel注册
在channel完成创建和初始化之后，接下来就需要将其注册到事件轮循器Selector上去。我们回到 initAndRegister 接口上去：
final ChannelFuture initAndRegister() {
...
// 获取 EventLoopGroup ，并调用它的 register 方法来注册 channel
ChannelFuture regFuture = config().group().register(channel);
if (regFuture.cause() != null) {
if (channel.isRegistered()) {
channel.close();
} else {
channel.unsafe().closeForcibly();
}
}
return regFuture;
}
最终会向下调用到 SingleThreadEventLoop 中的 register 接口：
如何调用到这里，里面的细节需要等到后面文章讲到 MultithreadEventExecutorGroup 再详细说明
@Override
public ChannelFuture register(final ChannelPromise promise) {
ObjectUtil.checkNotNull(promise, "promise");
// 调用unsafe的register接口
promise.channel().unsafe().register(this, promise);
return promise;
}
代码跟踪下去，直到 AbstractChannel 中的 AbstractUnsafe 这个类中的 register 接口。
@Override
public final void register(EventLoop eventLoop, final ChannelPromise promise) {
if (eventLoop == null) {
throw new NullPointerException("eventLoop");
}
if (isRegistered()) {
promise.setFailure(new IllegalStateException("registered to an event loop already"));
return;
}
if (!isCompatible(eventLoop)) {
promise.setFailure(
new IllegalStateException("incompatible event loop type: " + eventLoop.getClass().getName()));
return;
}
// 将该Channel与eventLoop 进行绑定，后续与该channel相关的IO操作都由eventLoop来处理
AbstractChannel.this.eventLoop = eventLoop;
// 初次注册时 eventLoop.inEventLoop() 返回false
if (eventLoop.inEventLoop()) {
// 调用实际的注册接口register0
register0(promise);
} else {
try {
eventLoop.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 调用实际的注册接口register0
register0(promise);
}
});
} catch (Throwable t) {
logger.warn(
"Force-closing a channel whose registration task was not accepted by an event loop: {}",
AbstractChannel.this, t);
closeForcibly();
closeFuture.setClosed();
safeSetFailure(promise, t);
}
}
}
register0接口主要分为以下三段逻辑：
- doRegister();
- pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded();
- pipeline.fireChannelRegistered();
private void register0(ChannelPromise promise) {
try {
if (!promise.setUncancellable() || !ensureOpen(promise)) {
return;
}
boolean firstRegistration = neverRegistered;
// 调用 doRegister() 接口
doRegister();
neverRegistered = false;
registered = true;
// 通过pipeline的传播机制，触发handlerAdded事件
pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded();
safeSetSuccess(promise);
// 通过pipeline的传播机制，触发channelRegistered事件
pipeline.fireChannelRegistered();
// 还没有绑定，所以这里的 isActive() 返回false.
if (isActive()) {
if (firstRegistration) {
pipeline.fireChannelActive();
} else if (config().isAutoRead()) {
beginRead();
}
}
} catch (Throwable t) {
closeForcibly();
closeFuture.setClosed();
safeSetFailure(promise, t);
}
}
我们来看 AbstractNioChannel 中的 doRegister()接口，最终调用的就是Java JDK底层的NIO API来注册。
@Override
protected void doRegister() throws Exception {
boolean selected = false;
for (;;) {
try {
// eventLoop().unwrappedSelector()：获取selector，将在后面介绍 EventLoop 创建时会讲到
// 将selector注册到Java NIO Channel上
// ops 设置为 0，表示不关心任何事件
// att 设置为 channel自身，表示后面还会将channel取出来用作它用(后面文章会讲到)
selectionKey = javaChannel().register(eventLoop().unwrappedSelector(), 0, this);
return;
} catch (CancelledKeyException e) {
if (!selected) {
eventLoop().selectNow();
selected = true;
} else {
throw e;
}
}
}
}
Channel绑定
在完成创建、初始化以及注册之后，接下来就是Channel绑定操作。
本小节涉及到的pipeline事件传播机制，我们放到后面的文章中去讲解。
从启动器的bind()接口开始，往下调用 doBind() 方法：
private ChannelFuture doBind(final SocketAddress localAddress) {
// 初始化及注册
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();
// 调用 doBind0
doBind0(regFuture, channel, localAddress, promise);
return promise;
} else {
....
}
}
doBind 方法又会调用 doBind0() 方法，在doBind0()方法中会通过EventLoop去执行channel的bind()任务，关于EventLoop的execute接口的分析，请看后面的 文章 。
private static void doBind0(
final ChannelFuture regFuture, final Channel channel,
final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise) {
channel.eventLoop().execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
if (regFuture.isSuccess()) {
// 调用channel.bind接口
channel.bind(localAddress, promise).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE_ON_FAILURE);
} else {
promise.setFailure(regFuture.cause());
}
}
});
}
doBind0() 方法往下会条用到 pipeline.bind(localAddress, promise); 方法，通过pipeline的传播机制，最终会调用到 AbstractChannel.AbstractUnsafe.bind() 方法，这个方法主要做两件事情：
- 调用doBind()：调用底层JDK API进行Channel的端口绑定。
- 调用pipeline.fireChannelActive()：
关于Pipeline的传播机制，请看 后文
@Override
public final void bind(final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise) {
....
// wasActive 在绑定成功前为 false
boolean wasActive = isActive();
try {
// 调用doBind()调用JDK底层API进行端口绑定
doBind(localAddress);
} catch (Throwable t) {
safeSetFailure(promise, t);
closeIfClosed();
return;
}
// 完成绑定之后，isActive() 返回true
if (!wasActive && isActive()) {
invokeLater(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 触发channelActive事件
pipeline.fireChannelActive();
}
});
}
safeSetSuccess(promise);
}
我们这里看服务端 NioServerSocketChannel 实现的 doBind方法，最终会调用JDK 底层 NIO Channel的bind方法：
@Override
protected void doBind(SocketAddress localAddress) throws Exception {
if (PlatformDependent.javaVersion() >= 7) {
javaChannel().bind(localAddress, config.getBacklog());
} else {
javaChannel().socket().bind(localAddress, config.getBacklog());
}
}
调用 pipeline.fireChannelActive()，开始传播active事件，pipeline首先就会调用HeadContext节点进行事件传播，会调用到 DefaultChannelPipeline.HeadContext.channelActive() 方法：
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
// 触发heanlder 的 ChannelActive 方法
ctx.fireChannelActive();
// 调用接口readIfIsAutoRead
readIfIsAutoRead();
}
private void readIfIsAutoRead() {
if (channel.config().isAutoRead()) {
// 调用channel.read()
channel.read();
}
}
channel.read() 方法往下会调用到 AbstractChannelHandlerContext.read() 方法：
@Override
public ChannelHandlerContext read() {
// 获取下一个ChannelHandlerContext节点
final AbstractChannelHandlerContext next = findContextOutbound();
// 获取EventExecutor
EventExecutor executor = next.executor();
if (executor.inEventLoop()) {
// 调用下一个节点的invokeRead接口
next.invokeRead();
} else {
Runnable task = next.invokeReadTask;
if (task == null) {
next.invokeReadTask = task = new Runnable() {
@Override
public void run() {
next.invokeRead();
}
};
}
executor.execute(task);
}
return this;
}
通过pipeline的事件传播机制，最终会调用到 AbstractChannel.AbstractUnsafe.beginRead() 方法：
@Override
public final void beginRead() {
assertEventLoop();
if (!isActive()) {
return;
}
try {
// 调用 doBeginRead();
doBeginRead();
} catch (final Exception e) {
invokeLater(new Runnable() {
@Override
public void run() {
pipeline.fireExceptionCaught(e);
}
});
close(voidPromise());
}
}
我们看下 AbstractNioChannel 对doBeginRead接口的实现逻辑：
// 注册一个OP_ACCEPT
@Override
protected void doBeginRead() throws Exception {
// Channel.read() or ChannelHandlerContext.read() was called
// 获取channel注册是的设置的 selectionKey
final SelectionKey selectionKey = this.selectionKey;
// selectionKey无效则返回
if (!selectionKey.isValid()) {
return;
}
readPending = true;
// 前面讲到channel在注册的时候，这是 interestOps 设置的是 0
final int interestOps = selectionKey.interestOps();
// readInterestOp 在前面讲到channel创建的时候，设置值为 SelectionKey.OP_ACCEPT
if ((interestOps & readInterestOp) == 0) {
// 最终 selectionKey 的兴趣集就会设置为 SelectionKey.OP_ACCEPT
// 表示随时可以接收新连接的接入
selectionKey.interestOps(interestOps | readInterestOp);
}
}
总结
至此，我们就分析完了Channel的创建、初始化、注册、绑定的流程。其中涉及到的EventLoopGroup和Pipeline事件传播机制的知识点，我们放到后面的文章中去讲解。
参考资料
