netty服务端启动

Netty是基于Nio实现的，所以也离不开selector、serverSocketChannel、socketChannel和selectKey等，只不过Netty把这些实现都封装在了底层。

来看一个标准的netty程序：

public class EchoServer {
    private final int port;
    public EchoServer(int port) {
        this.port = port;
    }

    public void run() throws Exception {
        // Configure the server.
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();  // (1)
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();  
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap(); // (2)
            b.group(bossGroup, workerGroup)
             .channel(NioServerSocketChannel.class) // (3)
             .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 100)
             .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))
             .childHandler(new ChannelInitializer() { // (4)
                 @Override
                 public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                     ch.pipeline().addLast(
                             //new LoggingHandler(LogLevel.INFO),
                             new EchoServerHandler());
                 }
             });

            // Start the server.
            ChannelFuture f = b.bind(port).sync(); // (5)

            // Wait until the server socket is closed.
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            // Shut down all event loops to terminate all threads.
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int port;
        if (args.length > 0) {
            port = Integer.parseInt(args[0]);
        } else {
            port = 8080;
        }
        new EchoServer(port).run();
    }
}

EchoServerHandler 实现

public class EchoServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {  
  
    private static final Logger logger = Logger.getLogger(  
            EchoServerHandler.class.getName());  
  
    @Override  
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {  
        ctx.write(msg);  
    }  
  
    @Override  
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {  
        ctx.flush();  
    }  
  
    @Override  
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {  
        // Close the connection when an exception is raised.  
        logger.log(Level.WARNING, "Unexpected exception from downstream.", cause);  
        ctx.close();  
    }  
}  

和客户端的代码相比, 没有很大的差别, 基本上也是进行了如下几个部分的初始化:

EventLoopGroup: 不论是服务器端还是客户端, 都必须指定 EventLoopGroup. 在这个例子中, 指定了 NioEventLoopGroup, 表示一个 NIO 的EventLoopGroup, 不过服务器端需要指定两个 EventLoopGroup, 一个是 bossGroup, 用于处理客户端的连接请求; 另一个是 workerGroup, 用于处理与各个客户端连接的 IO 操作.

• ChannelType: 指定 Channel 的类型. 因为是服务器端, 因此使用了NioServerSocketChannel.
• Handler: 设置数据的处理器.

在客户端中, Channel 的类型其实是在初始化时, 通过 Bootstrap.channel() 方法设置的, 服务器端自然也不例外.
在服务器端, 我们调用了 ServerBootstarap.channel(NioServerSocketChannel.class), 传递了一个 NioServerSocketChannel Class 对象. 这样的话, 按照和分析客户端代码一样的流程, 我们就可以确定, NioServerSocketChannel 的实例化是通过 BootstrapChannelFactory 工厂类来完成的, 而 BootstrapChannelFactory 中的 clazz 字段被设置为了 NioServerSocketChannel.class, 因此当调用 BootstrapChannelFactory.newChannel() 时:

@Override
public T newChannel() {
    // 删除 try 块
    return clazz.newInstance();
}

就获取到了一个 NioServerSocketChannel 的实例.

最后我们也来总结一下:

• ServerBootstrap 中的 ChannelFactory 的实现是 BootstrapChannelFactory

• 生成的 Channel 的具体类型是 NioServerSocketChannel.
  Channel 的实例化过程, 其实就是调用的 ChannelFactory.newChannel 方法, 而实例化的 Channel 的具体的类型又是和在初始化 ServerBootstrap 时传入的 channel() 方法的参数相关. 因此对于我们这个例子中的服务器端的 ServerBootstrap 而言, 生成的的 Channel 实例就是 NioServerSocketChannel.

NioServerSocketChannel 的实例化过程
下面是 NioServerSocketChannel 的类层次结构图:

image.png

首先, 我们来看一下它的默认的构造器. 和 NioSocketChannel 类似, 构造器都是调用了 newSocket 来打开一个 Java 的 NIO Socket, 不过需要注意的是, 客户端的 newSocket 调用的是 openSocketChannel, 而服务器端的 newSocket 调用的是 openServerSocketChannel. 顾名思义, 一个是客户端的 Java SocketChannel, 一个是服务器端的 Java ServerSocketChannel.

private static ServerSocketChannel newSocket(SelectorProvider provider) {
    return provider.openServerSocketChannel();
}

public NioServerSocketChannel() {
    this(newSocket(DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER));
}

接下来会调用重载的构造器:

public NioServerSocketChannel(ServerSocketChannel channel) {
    super(null, channel, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    config = new NioServerSocketChannelConfig(this, javaChannel().socket());
}

这个构造其中, 调用父类构造器时, 传入的参数是 SelectionKey.OP_ACCEPT. 作为对比, 我们回想一下, 在客户端的 Channel 初始化时, 传入的参数是 SelectionKey.OP_READ. 有 Java NIO Socket 开发经验的朋友就知道了, Java NIO 是一种 Reactor 模式, 我们通过 selector 来实现 I/O 的多路复用复用. 在一开始时, 服务器端需要监听客户端的连接请求, 因此在这里我们设置了 SelectionKey.OP_ACCEPT, 即通知 selector 我们对客户端的连接请求感兴趣.

接着和客户端的分析一下, 会逐级地调用父类的构造器 NioServerSocketChannel <- AbstractNioMessageChannel <- AbstractNioChannel <- AbstractChannel.
同样的, 在 AbstractChannel 中会实例化一个 unsafe 和 pipeline:

protected AbstractChannel(Channel parent) {
    this.parent = parent;
    unsafe = newUnsafe();
    pipeline = new DefaultChannelPipeline(this);
}

不过, 这里有一点需要注意的是, 客户端的 unsafe 是一个 AbstractNioByteChannel#NioByteUnsafe 的实例, 而在服务器端时, 因为 AbstractNioMessageChannel 重写了newUnsafe 方法:

@Override
protected AbstractNioUnsafe newUnsafe() {
    return new NioMessageUnsafe();
}

因此在服务器端, unsafe 字段其实是一个 AbstractNioMessageChannel#AbstractNioUnsafe 的实例.
我们来总结一下, 在 NioServerSocketChannsl 实例化过程中, 所需要做的工作:

调用 NioServerSocketChannel.newSocket(DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER) 打开一个新的 Java NIO ServerSocketChannel

AbstractChannel(Channel parent) 中初始化 AbstractChannel 的属性:

     parent 属性置为 null

    unsafe 通过newUnsafe() 实例化一个 unsafe 对象, 它的类型是 AbstractNioMessageChannel#AbstractNioUnsafe 内部类

     pipeline 是 new DefaultChannelPipeline(this) 新创建的实例.

AbstractNioChannel 中的属性:

     SelectableChannel ch 被设置为 Java ServerSocketChannel, 即 NioServerSocketChannel#newSocket 返回的 Java NIO ServerSocketChannel.

     readInterestOp 被设置为 SelectionKey.OP_ACCEPT

    SelectableChannel ch 被配置为非阻塞的 ch.configureBlocking(false)

NioServerSocketChannel 中的属性:

     ServerSocketChannelConfig config = new NioServerSocketChannelConfig(this, javaChannel().socket())

Channel 的注册

服务器端和客户端的 Channel 的注册过程一致, 因此就不再单独分析了.

关于 bossGroup 与 workerGroup

可以看出一切从ServerBootstrap开始，ServerBootstrap实例中需要两个NioEventLoopGroup实例，按照职责划分成boss和work，有着不同的分工：

• boss负责请求的accept
• work负责请求的read、write

NioEventLoopGroup

NioEventLoopGroup主要管理eventLoop的生命周期。在客户端的时候, 我们只提供了一个 EventLoopGroup 对象, 而在服务器端的初始化时, 我们设置了两个 EventLoopGroup, 一个是 bossGroup, 另一个是 workerGroup. 那么这两个 EventLoopGroup 都是干什么用的呢? bossGroup 是用于服务端 的 accept 的, 即用于处理客户端的连接请求. 我们可以把 Netty 比作一个饭店, bossGroup 就像一个像一个前台接待, 当客户来到饭店吃时, 接待员就会引导顾客就坐, 为顾客端茶送水等. 而 workerGroup, 其实就是实际上干活的啦, 它们负责客户端连接通道的 IO 操作: 当接待员 招待好顾客后, 就可以稍做休息, 而此时后厨里的厨师们(workerGroup)就开始忙碌地准备饭菜了.
关于 bossGroup 与 workerGroup 的关系, 我们可以用如下图来展示:

image.png

image.png

首先, 服务器端 bossGroup 不断地监听是否有客户端的连接, 当发现有一个新的客户端连接到来时, bossGroup 就会为此连接初始化各项资源, 然后从 workerGroup 中选出一个 EventLoop 绑定到此客户端连接中. 那么接下来的服务器与客户端的交互过程就全部在此分配的 EventLoop 中了.
首先在ServerBootstrap 初始化时, 调用了 b.group(bossGroup, workerGroup) 设置了两个 EventLoopGroup, 我们跟踪进去看一下:

public ServerBootstrap group(EventLoopGroup parentGroup, EventLoopGroup childGroup) {
    super.group(parentGroup);
    ...
    this.childGroup = childGroup;
    return this;
}

显然, 这个方法初始化了两个字段, 一个是 group = parentGroup, 它是在 super.group(parentGroup) 中初始化的, 另一个是 childGroup = childGroup. 接着我们启动程序调用了 b.bind 方法来监听一个本地端口. bind 方法会触发如下的调用链:

AbstractBootstrap.bind -> AbstractBootstrap.doBind -> AbstractBootstrap.initAndRegister

final ChannelFuture initAndRegister() {
    final Channel channel = channelFactory().newChannel();
    ... 省略异常判断
    init(channel);
    ChannelFuture regFuture = group().register(channel);
    return regFuture;
}

这里 group() 方法返回的是上面我们提到的 bossGroup, 而这里的 channel 我们也已经分析过了, 它是一个是一个 NioServerSocketChannsl 实例, 因此我们可以知道, group().register(channel) 将 bossGroup 和 NioServerSocketChannsl 关联起来了.
那么 workerGroup 是在哪里与 NioSocketChannel 关联的呢?
我们继续看 init(channel) 方法:

@Override
void init(Channel channel) throws Exception {
    ...
    ChannelPipeline p = channel.pipeline();

    final EventLoopGroup currentChildGroup = childGroup;
    final ChannelHandler currentChildHandler = childHandler;
    final Entry, Object>[] currentChildOptions;
    final Entry, Object>[] currentChildAttrs;

    p.addLast(new ChannelInitializer() {
        @Override
        public void initChannel(Channel ch) throws Exception {
            ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
            ChannelHandler handler = handler();
            if (handler != null) {
                pipeline.addLast(handler);
            }
            pipeline.addLast(new ServerBootstrapAcceptor(
                    currentChildGroup, currentChildHandler, currentChildOptions, currentChildAttrs));
        }
    });
}

init 方法在 ServerBootstrap 中重写了, 从上面的代码片段中我们看到, 它为 pipeline 中添加了一个 ChannelInitializer, 而这个 ChannelInitializer 中添加了一个关键的 ServerBootstrapAcceptor handler. 我们看一下 ServerBootstrapAcceptor 类.
ServerBootstrapAcceptor 中重写了 channelRead 方法, 其主要代码如下:

@Override
@SuppressWarnings("unchecked")
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
    final Channel child = (Channel) msg;
    child.pipeline().addLast(childHandler);
    ...
    childGroup.register(child).addListener(...);
}

ServerBootstrapAcceptor 中的 childGroup 是构造此对象是传入的 currentChildGroup, 即我们的 workerGroup, 而 Channel 是一个 NioSocketChannel 的实例, 因此这里的 childGroup.register 就是将 workerGroup 中的 EventLoop 和 NioSocketChannel 关联了. 既然这样, 那么现在的问题是, ServerBootstrapAcceptor.channelRead 方法是怎么被调用的呢? 其实当一个 client 连接到 server 时, Java 底层的 NIO ServerSocketChannel 会有一个 SelectionKey.OP_ACCEPT 就绪事件, 接着就会调用到 NioServerSocketChannel.doReadMessages:

@Override
protected int doReadMessages(List