Netty服务端启动过程源码解析

Netty服务端创建时序图

1. 创建ServerBootstrap实例
   ServerBootstrap是一个用于启动Netty服务端的辅助类，提供一系列方法设置启动参数。因为ServerBootstrap需要设置的各项信息很多，所以这里采用builder模式实现。
   
   
2. 设置并绑定Reactor线程池
   通过构造函数创建ServerBootstrap实例之后，通常会创建两个EventLoopGroup（并不是必须要创建两个不同的EventLoopGroup，也可以只创建一个并共享），代码如下所示：

   EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
   EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

   BossEventLooPGroup和WorkerEventLoopGroup。BossEventLoopGroup通常是一个单线程的EventLoop，EventLoop维护着一个注册了ServerSocketChannel的Selector实例，BoosEventLoop不断轮询Selector将连接事件分离出来，通常是OP_ACCEPT事件，然后将accept得到的SocketChannel交给WorkerEventLoopGroup。WorkerEventLoopGroup会选择其中一个EventLoopGroup来将这个SocketChannel注册到其维护的Selector并对其后续的IO事件进行处理。在Reactor模式中BossEventLoopGroup主要是对多线程的扩展，而每个EventLoop的实现涵盖IO事件的分离和分发。
   
   NioEventLoopGroup实际就是Reactor线程池，负责调度和执行客户端的接入、网络读写事件的处理、用户自定义任务和定时任务的执行。通过ServerBootstrap的group方法将两个EventLoopGroup实例传入，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;
       }

   
   Netty为了更好的利用多核CPU的资源对Reactor模式进行了改进，每个Netty服务端程序中有多个EventLoop同时运行，每一个EventLoop维护一个Selector实例，进行Reactor模式的工作。此外，EventLoop的职责除了处理IO事件，还包括处理定时任务和用户自定义任务。Netty还提供了一个ioRatio参数，供使用者调整EventLoop运行不同任务时间的比例。这样的设计避免了多线程并发操作和锁竞争，提升了I/O线程的处理和调度性能。
   
   Netty基于单线程设计的EventLoop能够同时处理成千上万的客户端连接的IO事件，缺点是单线程不能够处理时间过长的任务，这样会阻塞使得IO事件的处理被阻塞，严重的时候回造成IO事件堆积，服务不能够高效响应客户端请求。，当我们遇到需要处理时间很长的任务的时候，我们可以将它交给子线程来处理，主线程继续去EventLoop，当子线程计算完毕再讲结果交给主线程。
3. 设置并绑定服务端Channel
   线程组和线程类型设置完成后，需要设置服务端Channel，Netty通过Channel工厂类来创建不同类型的Channel，对于服务端，需要创建NioServerSocketChannel,所以，通过指定Channel类型的方式创建Channel工厂。ServerBootstrapChannelFactory是ServerBootstrap的内部静态类，职责是根据Channel的类型通过反射创建Channel的实例，服务端需要创建的是NioServerSocketChannel实例，channel方法代码如下：

   public B channel(Class channelClass) {
           if (channelClass == null) {
               throw new NullPointerException("channelClass");
           }
           return channelFactory(new BootstrapChannelFactory(channelClass));
       }

   
   Channel工厂类：
   

   @SuppressWarnings("unchecked")
       public B channelFactory(ChannelFactory channelFactory) {
           if (channelFactory == null) {
               throw new NullPointerException("channelFactory");
           }
           if (this.channelFactory != null) {
               throw new IllegalStateException("channelFactory set already");
           }
   
           this.channelFactory = channelFactory;
           return (B) this;
       }

4.设置TCP参数

• 指定NioServerSocketChannel后，需要设置TCP的一些参数，作为服务端，主要是要设置TCP的 backlog参数。backlog指定了内核为此套接口排队的最大连接个数，对于给定的监听套接口，内核要维护两个队列，未链接队列和已连接队列，根据TCP三路握手过程中三个分节来分隔这两个队列。

5.链路建立时创建ChannelPipeline

• ChannelPipeline的本质就是一个负责处理网络事件的职责链，负责管理和执行ChannelHandler。每个Channel都持有一个ChannelPipeline，网络事件以事件流的形式在ChannelPipeline中流转，由ChannelPipeline根据ChannelHandler的执行策略调度ChannelHandler的执行。值得注意的是ChannelPipeline并不直接持有ChannelHandler，而是用一个ChannelHandlerContext类包装ChannelHandler。

6.设置ServerBootstrap的handler

• TCP参数设置完成后，用户可以为启动辅助类和其父类分别指定Handler，两类Handler的用途不同，子类中的Hanlder是NioServerSocketChannel对应的ChannelPipeline的Handler，父类中的Hanlder是客户端新接入的连接SocketChannel对应的ChannelPipeline的Handler。两者的区别可以通过下图来展示：

本质区别就是：ServerBootstrap中的Handler是NioServerSocketChannel使用的，所有连接该监听端口的客户端都会执行它，父类AbstractBootstrap中的Handler是个工厂类，它为每个新接入的客户端都创建一个新的Handler。

ChannelHandler是Netty提供给用户定制和扩展的关键接口。利用ChannelHandler，用户可以完成大多数的功能定制，例如消息编解码、心跳、安全认证、TSL/SSL认证、流量控制和流量整形等。Netty同事也提供了一些现成的Channel供使用，如：编解码框架ByteToMessageCodec、基于长度的半包解码器LengthFieldBasedFrameDecoder、日志打印LoggerHandler、SSL安全认证SslHandler、链路空闲检测IdleStateHandler、流量整形ChannelTrafficShapingHandler、Base64编解码Base64Encoder和Base64Decoder等。

添加ChannelHandler的具体方式如下：

.childHandler(new ChannelInitializer() {
                    @Override
                    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                        ch.pipeline().addLast(new HttpRequestDecoder());
                        ch.pipeline().addLast(new HttpObjectAggregator(Integer.MAX_VALUE));
                        ch.pipeline().addLast(new HttpResponseEncoder());
                        ch.pipeline().addLast(new HttpServerInboundHandler());
                    }
                });

7.绑定并启动监听端口

在绑定监听端口之前系统会做一系列的初始化和检测工作，完成之后，会启动监听端口，并将ServerSocketChannel注册到Selector上监听客户端连接。具体实现如下：

private ChannelFuture doBind(final SocketAddress localAddress) {
    final ChannelFuture regFuture = initAndRegister();
    final Channel channel = regFuture.channel();
    if (regFuture.cause() != null) {
        return regFuture;
    }
 
    if (regFuture.isDone()) {
        ChannelPromise promise = channel.newPromise();
        doBind0(regFuture, channel, localAddress, promise);
        return promise;
    } else {
        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) {
                    promise.setFailure(cause);
                } else {
                    promise.executor = channel.eventLoop();
                }
                doBind0(regFuture, channel, localAddress, promise);
            }
        });
        return promise;
    }
}

init

void init(Channel channel) throws Exception {
    final Map, Object> options = options();
    //设置相关参数
    synchronized (options) {
        channel.config().setOptions(options);
    }
 
    final Map, Object> attrs = attrs();
    synchronized (attrs) {
        for (Entry, Object> e: attrs.entrySet()) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            AttributeKey