netty中的ChannelHandler

本文主要介绍以下几个相关类：
• ChannelPipeline
• ChannelHandlerContext
• ChannelHandler
• Inbound vs outbound(入站和出站)

接受客户端的连接和创建连接只是应用程序中的一步，更加重要的还是处理传入传出的数据。netty提供了强大的事件处理机制，允许用户自定义ChannelHandler的实现来处理数据。

1.ChannelPipeline

ChannelPipeline是ChannelHandler实例的列表（或则说是容器），用于处理或截获通道的接收和发送数据。ChannelPipeline提供了一种高级的截取过滤器模式，让用户可以在ChannelPipeline中完全控制一个事件及如何处理ChannelHandler与ChannelPipeline的交互。

可以这样说，一个新的通道就对应一个新的ChannelPipeline并附加至通道。一旦连接，通道Channel和ChannelPipeline之间的耦合是永久性的。通道Channel不能附加其他的ChannelPipeline或从ChannelPipeline分离。

下图显示了ChannelHandler在ChannelPipeline中的IO处理示意图：

很明显，ChannelPipeline里面就是一个ChannelHandler的列表。如果一个入站IO事件被触发，这个事件会从第一个开始依次通过ChannelPipeline中的ChannelHandler。若是一个入站I/O事件，则会从最后一个开始依次通过ChannelPipeline中的ChannelHandler。ChannelHandler可以处理事件并检查类型，如果某个ChannelHandler不能处理则会跳过，并将事件传递到下一个ChannelHandler。ChannelPipeline可以动态添加、删除、替换其中的ChannelHandler，这样的机制可以提高灵活性。

修改ChannelPipeline的方法：
• addFirst(…)，添加ChannelHandler在ChannelPipeline的第一个位置
• addBefore(…)，在ChannelPipeline中指定的ChannelHandler名称之前添加ChannelHandler
• addAfter(…)，在ChannelPipeline中指定的ChannelHandler名称之后添加ChannelHandler
• addLast(ChannelHandler…)，在ChannelPipeline的末尾添加ChannelHandler
• remove(…)，删除ChannelPipeline中指定的ChannelHandler
• replace(…)，替换ChannelPipeline中指定的ChannelHandler

比如：

ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();  
FirstHandler firstHandler = new FirstHandler();  
pipeline.addLast("handler1", firstHandler);  
pipeline.addFirst("handler2", new SecondHandler());  
pipeline.addLast("handler3", new ThirdHandler());  
pipeline.remove("“handler3“");  
pipeline.remove(firstHandler);  
pipeline.replace("handler2", "handler4", new FourthHandler());  

被添加到ChannelPipeline的ChannelHandler将通过IO-Thread处理事件，这意味了必须不能有其他的IO-Thread阻塞来影响IO的整体处理；有时候可能需要阻塞，例如JDBC。因此netty允许通过一个EventExecutorGroup到每一个ChannelPipeline.add*方法，自定义的事件会被包含在EventExecutorGroup中的EventExecutor来处理，默认的实现是DefaultEventExecutorGroup。

2.ChannelHandlerContext

每个ChannelHandler被添加到ChannelPipeline后，都会创建一个ChannelHandlerContext并与之创建的ChannelHandler关联绑定。ChannelHandlerContext允许ChannelHandler与其他的ChannelHandler实现进行交互。ChannelHandlerContext不会改变添加到其中的ChannelHandler，因此它是安全的。

下图显示了ChannelHandlerContext、ChannelHandler、ChannelPipeline的关系：

ChannelHandlerContext可以通知下一个ChannelHandler

如果我们想有一些事件流全部通过ChannelPipeline，有两个不同的方法可以做到：
• 调用Channel的方法
• 调用ChannelPipeline的方法

这两个方法都可以让事件流全部通过ChannelPipeline。无论从头部还是尾部开始，因为它主要依赖于事件的性质。如果是一个“入站”事件，它开始于头部；若是一个“出站”事件，则开始于尾部。

下面的代码显示了一个写事件如何通过ChannelPipeline从尾部开始：

protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {  
    ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {  
        @Override  
        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {  
            //Event via Channel  
            Channel channel = ctx.channel();  
            channel.write(Unpooled.copiedBuffer("netty in action", CharsetUtil.UTF_8));  

            //Event via ChannelPipeline  
            ChannelPipeline pipeline = ctx.pipeline();  
            pipeline.write(Unpooled.copiedBuffer("netty in action", CharsetUtil.UTF_8));  
        }  
    });  
}  

下图表示通过Channel或ChannelPipeline的通知：

ChannelHandlerContext可以修改ChannelPipeline

调用ChannelHandlerContext的pipeline()方法能访问ChannelPipeline，能在运行时动态的增加、删除、替换ChannelPipeline中的ChannelHandler。我们可以保持ChannelHandlerContext以供以后使用，如外部Handler方法触发一个事件，甚至从一个不同的线程触发。
下面代码显示了保存ChannelHandlerContext供之后使用或其他线程使用：

public class WriteHandler extends ChannelHandlerAdapter {
    private ChannelHandlerContext ctx;

    @Override
    public void handlerAdded(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        this.ctx = ctx;
    }

    public void send(String msg){
        ctx.write(msg);
    }
}

请注意，ChannelHandler实例如果带有@Sharable注解则可以被添加到多个ChannelPipeline。也就是说单个ChannelHandler实例可以有多个ChannelHandlerContext，因此可以调用不同ChannelHandlerContext获取同一个ChannelHandler。如果添加不带@Sharable注解的ChannelHandler实例到多个ChannelPipeline则会抛出异常；使用@Sharable注解后的ChannelHandler必须在不同的线程和不同的通道上安全使用。怎么是不安全的使用？看下面代码：

@Sharable
public class NotSharableHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    private int count;

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        count++;
        System.out.println("channelRead(...) called the " + count + " time“");
        ctx.fireChannelRead(msg);
    }

}

上面是一个带@Sharable注解的Handler，它被多个线程使用时，里面count是不安全的，会导致count值错误。
为什么要共享ChannelHandler？使用@Sharable注解共享一个ChannelHandler在一些需求中还是有很好的作用的，如使用一个ChannelHandler来统计连接数或来处理一些全局数据等等。

3. channel的状态模型

Netty有一个简单但强大的状态模型，并完美映射到ChannelInboundHandler的各个方法。下面是Channel生命周期四个不同的状态：
1. channelUnregistered
2. channelRegistered
3. channelActive
4. channelInactive

Channel的状态在其生命周期中变化，因为状态变化需要触发，下图显示了Channel状态变化：

4、ChannelHandler和其子类

先看一些类的继承图：

1、ChannelHandler中的方法

    Netty定义了良好的类型层次结构来表示不同的处理程序类型，所有的类型的父类是ChannelHandler。ChannelHandler提供了在其生命周期内添加或从ChannelPipeline中删除的方法。

1. handlerAdded，ChannelHandler添加到实际上下文中准备处理事件
2. handlerRemoved，将ChannelHandler从实际上下文中删除，不再处理事件
3. exceptionCaught，处理抛出的异常

netty还提供了一个实现了ChannelHandler的抽象类ChannelHandlerAdapter。ChannelHandlerAdapter实现了父类的所有方法，基本上就是传递事件到ChannelPipeline中的下一个ChannelHandler直到结束。我们也可以直接继承于ChannelHandlerAdapter，然后重写里面的方法。

2、ChannelInboundHandler

ChannelInboundHandler提供了一些方法再接收数据或Channel状态改变时被调用。下面是ChannelInboundHandler的一些方法：
1. channelRegistered，ChannelHandlerContext的Channel被注册到EventLoop；
2. channelUnregistered，ChannelHandlerContext的Channel从EventLoop中注销
3. channelActive，ChannelHandlerContext的Channel已激活
4. channelInactive，ChannelHanderContxt的Channel结束生命周期
5. channelRead，从当前Channel的对端读取消息
6. channelReadComplete，消息读取完成后执行
7. userEventTriggered，一个用户事件被处罚
8. channelWritabilityChanged，改变通道的可写状态，可以使用Channel.isWritable()检查
9. exceptionCaught，重写父类ChannelHandler的方法，处理异常

netty提供了一个实现了ChannelInboundHandler接口并继承ChannelHandlerAdapter的类：ChannelInboundHandlerAdapter。ChannelInboundHandlerAdapter实现了ChannelInboundHandler的所有方法，作用就是处理消息并将消息转发到ChannelPipeline中的下一个ChannelHandler。ChannelInboundHandlerAdapter的channelRead方法处理完消息后不会自动释放消息，若想自动释放收到的消息，可以使用SimpleChannelInboundHandler。

看下面的代码：

/**
 * 实现ChannelInboundHandlerAdapter的Handler，不会自动释放接收的消息对象
 * @author c.k
 *
 */
public class DiscardHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        //手动释放消息
        ReferenceCountUtil.release(msg);
    }
}

SimpleChannelInboundHandler会自动释放消息

/**
 * 继承SimpleChannelInboundHandler，会自动释放消息对象
 * @author c.k
 *
 */
public class SimpleDiscardHandler extends SimpleChannelInboundHandler<Object> {
    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        //不需要手动释放
    }
}

ChannelInitializer用来初始化ChannelHandler，将自定义的各种ChannelHandler添加到ChannelPipeline中。

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