Netty框架学习之路（四）—— Channel及相关概念

在Netty框架中，Channel是其中之一的核心概念，是Netty网络通信的主体，由它负责同对端进行网络通信、注册和数据操作等功能。本文我们来详细地分析 Netty 中的 Channel以及跟Channel相关的其他概念，包括ChannelPipeline、ChannelHandlerContext、ChannelHandler等。

Channel的抽象类AbstractChannel有一如下所示的构造方法：

    protected AbstractChannel(Channel parent) {
        this.parent = parent;
        id = newId();
        unsafe = newUnsafe();
        pipeline = newChannelPipeline();
    }

AbstractChannel内部有一个pipeline属性，Netty在对Channel进行初始化的时候将该属性初始化为DefaultChannelPipeline的实例，上述代码说明了每个Channel都有一个ChannelPipeline与之相关联。

跟踪代码，进入newChannelPipeline的方法体内：

    protected DefaultChannelPipeline newChannelPipeline() {
        return new DefaultChannelPipeline(this);
    }

    protected DefaultChannelPipeline(Channel channel) {
        this.channel = ObjectUtil.checkNotNull(channel, "channel");
        succeededFuture = new SucceededChannelFuture(channel, null);
        voidPromise =  new VoidChannelPromise(channel, true);

        tail = new TailContext(this);
        head = new HeadContext(this);

        head.next = tail;
        tail.prev = head;
    }

上述代码，敏感的读者便能觉察到这是一个新建链表节点，并建立双向循环列表的过程。

这里出现了两个新的类型——TailContext和HeadContext，先来看一下两者的类图：

TailContext和HeadContext既实现了ChannelHandler接口，又实现了 ChannelHandlerContext接口, 因此可以说head和tail即是一个ChannelHandler, 又是一个 ChannelHandlerContext。这么设计有什么用呢？让我们先来看一下ChannelHandlerContext概念。

HeadContext的构造方法调用了父类AbstractChannelHandlerContext的构造器, 并传入参数inbound = false，outbound = true。

TailContext的构造器与HeadContext相反, 它调用了父类 AbstractChannelHandlerContext 的构造器, 并传入参数 inbound = true，outbound = false。
那么inbound和outbound这两个属性究竟代表什么呢？

其实inbound和outbound分别用于标识 Context 所对应的handler的类型, 在Netty中事件可以分为Inbound和Outbound事件，在ChannelPipeline的类注释中，有如下图示：

 * 
 *                                                 I/O Request
 *                                            via {@link Channel} or
 *                                        {@link 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。同时注释中列出了引发inbound事件和outbound事件传播的方法：

Inbound event propagation methods:
    ChannelHandlerContext.fireChannelRegistered()
    ChannelHandlerContext.fireChannelActive()
    ChannelHandlerContext.fireChannelRead(Object)
    ChannelHandlerContext.fireChannelReadComplete()
    ChannelHandlerContext.fireExceptionCaught(Throwable)
    ChannelHandlerContext.fireUserEventTriggered(Object)
    ChannelHandlerContext.fireChannelWritabilityChanged()
    ChannelHandlerContext.fireChannelInactive()
    ChannelHandlerContext.fireChannelUnregistered()

Outbound event propagation methods:
    ChannelHandlerContext.bind(SocketAddress, ChannelPromise)
    ChannelHandlerContext.connect(SocketAddress, SocketAddress, ChannelPromise)
    ChannelHandlerContext.write(Object, ChannelPromise)
    ChannelHandlerContext.flush()
    ChannelHandlerContext.read()
    ChannelHandlerContext.disconnect(ChannelPromise)
    ChannelHandlerContext.close(ChannelPromise)
    ChannelHandlerContext.deregister(ChannelPromise)

仔细分析，我们可以发现Inbound事件都是通知事件，而Outbound事件都是请求事件。

了解ChannelHandlerContext的两个重要属性的含义之后，我们回到其类型本身。我们之前的客户端程序有如下代码：

        Bootstrap b = new Bootstrap();
            b.group(group).channel(NioSocketChannel.class)
                    .option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
                    .handler(new ChannelInitializer() {
                        @Override
                        public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception{
                            ch.pipeline().addLast(new TimeClientHandler());
                        }
                    });

通常来说, 我们在初始化 Bootstrap, 会添加我们自定义的 ChannelHandler，上面代码在调用handler方法时, 传入了ChannelInitializer对象, 它提供了一个 initChannel 方法供我们初始化ChannelHandler，让我们来看一下这个初始化过程。

在Bootstrap的init方法中将ChannelInitializer添加到ChannelPipeline中：

  void init(Channel channel) throws Exception {
        ChannelPipeline p = channel.pipeline();
        //handler方法返回的就是之前设置的ChannelInitializer对象
        p.addLast(config.handler());
        ……
    }

进入ChannelPipeline的addLast方法，我们来看一下添加过程：

    public final ChannelPipeline addLast(EventExecutorGroup group, String name, ChannelHandler handler) {
        final AbstractChannelHandlerContext newCtx;
        synchronized (this) {
            checkDuplicateName(name); // 检查此 handler 是否有重复的名字
            newCtx = new DefaultChannelHandlerContext(this, group, name, handler);
            addLast0(name, newCtx);
        }
        return this;
    }

    private void addLast0(AbstractChannelHandlerContext newCtx) {
        AbstractChannelHandlerContext prev = tail.prev;
        newCtx.prev = prev;
        newCtx.next = tail;
        prev.next = newCtx;
        tail.prev = newCtx;
    }

此时，ChannelPipeline的结构如下图所示：

当Channel成功注册到一个eventLoop的Selector中, 并且将当前Channel作为attachment时，便产生了一个Inbound事件触发了ChannelHandlerContext.fireChannelRegistered()方法。进入该方法：

    public ChannelHandlerContext fireChannelRegistered() {
        invokeChannelRegistered(findContextInbound());
        return this;
    }

    static void invokeChannelRegistered(final AbstractChannelHandlerContext next) {
        EventExecutor executor = next.executor();
        if (executor.inEventLoop()) {
            next.invokeChannelRegistered();
        } else {
            executor.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    next.invokeChannelRegistered();
                }
            });
        }
    }

    private AbstractChannelHandlerContext findContextInbound() {
        AbstractChannelHandlerContext ctx = this;
        do {
            ctx = ctx.next;
        } while (!ctx.inbound);
        return ctx;
    }

findContextInbound方法用于从当前context开始查找下一个inbound属性为true的context，而Inbound事件始于head，同时ChannelInitializer的inbound属性为true，因此返回之前设置的ChannelInitializer对象。再进入invokeChannelRegistered方法：

    private void invokeChannelRegistered() {
        if (invokeHandler()) {
            try {
                //此处handler方法返回的是Bootstrap中设置ChannelInitializer对象
                ((ChannelInboundHandler) handler()).channelRegistered(this);
            } catch (Throwable t) {
                notifyHandlerException(t);
            }
        } else {
            fireChannelRegistered();
        }
    }

    public final void channelRegistered(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        if (initChannel(ctx)) {
            //基于责任链模式，事件继续向后传递
            ctx.pipeline().fireChannelRegistered();
        } else {
            ctx.fireChannelRegistered();
        }
    }

    private boolean initChannel(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        if (initMap.putIfAbsent(ctx, Boolean.TRUE) == null) { 
            try {
                //此处调用的initChannel方法为ChannelInitializer对象的initChannel方法
                initChannel((C) ctx.channel());
            } catch (Throwable cause) {

            } finally {
                //功成身退，将ChannelInitializer对象从pipeline中移除
                remove(ctx);
            }
            return true;
        }
        return false;
    }

经过上述步骤之后，channelPipeline最终的结构如下图所示：

好了, 到了这里, 我们的自定义ChannelHandler的添加过程 也分析的查不多了。