Netty源码深度解析-Pipeline（1） Pipeline的构造

导读

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本文所使用的netty版本4.1.6.Final：带注释的netty源码

Pipeline这个词翻译过来就是“流水线”的意思，读到这里有了解过设计模式的同学应该已经想到了，这里用到的是“责任链模式”。本文我们将以DefaultChannelPipeline为例看一下Pipeline的构造以及其中重要的数据结构。

1 和Pipeline相关的其他组件

1.1 ChannnelHandler

这是ChannelHandler中的注释，翻译过来就是“处理IO事件或者拦截IO操作，并且将其向ChannelPipeline中的下一个handler传递”，说白了就是在责任链中注册的一系列回调方法。

Handles an I/O event or intercepts an I/O operation, and forwards it to its next handler in
its ChannelPipeline

这里的I/O event就是很多书中提到的“入站事件”，而I/O operation就是很多书中提到的“出站事件”，前面我说过，这里我并不准备这么叫，按我的理解我习惯把这两者称之为“事件”和“命令”。很显然这里event和operation的含义是不一样的，event更多地多表示事件发生了，我们被动地收到，而operation则表示我们主动地发起一个动作或者命令。

1.2 ChannelHandlerContext

每一个ChannelHandler在被添加进ChannelPipeline时会被包装进一个ChannelHandlerContext。有两个特殊的ChannelHandlerContext除外，分别是HeadContext和TailContext，HeadContext继承了ChannelInBoundHandler和ChannelOutBoundHandler，而TailContext继承了ChannelInBoundHandler。
每个ChannelHandlerContext中有两个指针next和prev，这是用来将多个ChannelHandlerContext构成双向链表的。

2 Pipeline的构造方法

我们以DefaultChannelPipeline为例，从它的构造方法开始。这里首先将Channel保存到Pipeline的属性中，又初始化了两个属性succeedFuture和voidPromise。这是两个特殊的可以共享的Promise，这两个Promise不是重点，不理解也没关系。

接下来的tail和head是两个特殊的ChannelHandlerContext，这两个是Pipeline中的重要组件。

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;
}

Pipeline在执行完构造方法以后的结构如下图所示，head和tail构成了最简单的双向链表。

Pipeline的初始化

图中蓝色填充的就是ChannelHandlerContext，目前只有HeadContext和TailContext，ChannelHandlerContext中的较窄的矩形表示ChannelHandler，由于HeadContext和TailContext并没有包含ChannelHandler，而是继承ChannelHandler，所以这里我们用虚线表示。上下贯通的ChannelHandler表示既是ChannelInBoundHandler又是ChannelOutBoundHandler，只有上半部分的表示是ChannelInBoundHandler，只有下半部分的表示是ChannelOutBoundHandler。

3 添加ChannelHandler

在ChannelPipeline中有很多以add开头的方法，这些方法就是向ChannelPipeline中添加ChannelHandler的方法。

• addAfter：向某个ChannelHandler后边添加
• addBefore：向某个ChannelHandler前面添加
• addFirst：添加到头部，不能在head的前面，而是紧挨着head，在head的后面
• addLast：添加到尾部，不能在tail的后面，而是紧挨着tail，在tail的前面

我们以最常用的的addLast方法为例来分析一下Pipeline中添加ChannelHandler的操作。
这里所贴出的addLast方法其实我们已经在“服务端启动流程”这篇文章中打过照面了。方法参数中的EventExecutorGroup意味着我们可以为这个ChannelHandler单独设置Excutor而不使用Channel所绑定的EventLoop，一般情况下我们不这么做，所以group参数为null。

这里先把ChannelHandler包装成ChannelHandlerContext，再添加到尾部，随后调用ChannelHandler的HandlerAdded方法。

在调用HandlerAdded方法时有一点问题，添加ChannelHandler的操作不需要在EventLoop线程中进行，而HandlerAdded方法则必须在EventLoop线程中进行。也就是说存在添加Handler时还未绑定EventLoop的情况，此时则调用newCtx.setAddPending()将当前HandlerContext设置为ADD_PENDING状态，并且调用callHandlerCallbackLater(newCtx, true)将一个异步任务添加到一个单向队链表中，即pendingHandlerCallbackHead这个链表。

如果当前已经绑定了EventLoop，则看当前调用线程是否为EventLoop线程，如果不是则向EventLoop提交一个异步任务调用callHandlerAdded0方法，否则直接调用callHandlerAdded0方法。

下面咱们依次分析一下newContext，callHandlerCallbackLater和callHandlerAdd0方法。

@Override
    public final ChannelPipeline addLast(EventExecutorGroup group, String name, ChannelHandler handler) {
        final AbstractChannelHandlerContext newCtx;
        synchronized (this) {
           //先把`handler`包装成`HandlerContext`
            newCtx = newContext(group, filterName(name, handler), handler);
            //添加到尾部
            addLast0(newCtx);
            //如果还未绑定`EventLoop`则稍后再发起对`HandlerAdded`方法的调用。
            if (!registered) {
                newCtx.setAddPending();
                callHandlerCallbackLater(newCtx, true);
                return this;
            }
            //如果已经绑定了EventLoop，并且当前线程非EventLoop线程的话就提交一个异步任务，就发起一个异步任务去调用HandlerAdded方法。
            EventExecutor executor = newCtx.executor();
            if (!executor.inEventLoop()) {
                newCtx.setAddPending();
                executor.execute(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        callHandlerAdded0(newCtx);
                    }
                });
                return this;
            }
        }
        //如果当前线程是EventLoop线程，就直接调用HandlerAdded方法。
        callHandlerAdded0(newCtx);
        return this;
    }

3.1 newContext

先看来一下newContext方法，这里直接调用了DefaultChannelHandlerContext的构造方法，咱们跟进去看看。

private AbstractChannelHandlerContext newContext(EventExecutorGroup group, String name, ChannelHandler handler) {
    return new DefaultChannelHandlerContext(this, childExecutor(group), name, handler);
}

在DefaultChannelHandlerContext的构造方法中又调用了父类AbstractChannelHandlerContext的构造方法，保存了handler属性。在调用父类构造方法之前调用了isInboud和isOutbound方法判断当前的Handler是否为ChannelInBoundHandler或者ChannelOutBoundHandler，这两个方法很简单，不再展开。

DefaultChannelHandlerContext(
        DefaultChannelPipeline pipeline, EventExecutor executor, String name, ChannelHandler handler) {
    super(pipeline, executor, name, isInbound(handler), isOutbound(handler));
    if (handler == null) {
        throw new NullPointerException("handler");
    }
    this.handler = handler;
}

接下来看AbstractChannelHandlerContext的构造方法，这里非常简单，保存了几个属性，咱们看一下ordered这个属性。ordered表示EventExecutor在执行异步任务时是否按添加顺序执行，这里一般情况下executor为null，表示使用Channel所绑定的EventLoop线程，而EventLoop线程都是OrderedEventExecutor的实现类。所以这里我们不考虑ordered为false的情况。

AbstractChannelHandlerContext(DefaultChannelPipeline pipeline, EventExecutor executor, String name,
                              boolean inbound, boolean outbound) {
    this.name = ObjectUtil.checkNotNull(name, "name");
    this.pipeline = pipeline;
    this.executor = executor;
    this.inbound = inbound;
    this.outbound = outbound;
    // Its ordered if its driven by the EventLoop or the given Executor is an instanceof OrderedEventExecutor.
    ordered = executor == null || executor instanceof OrderedEventExecutor;
}

上面提到了ChannelHandlerContext可以在构造方法里单独指定EventExecutor，如果没有单独指定的话就使用Channel所绑定的EventLoop，代码在哪里呢，就在AbstractChannelHandlerContext#executor方法，非常简单，如果没有为当前ChannelHandler指定excutor则返回Channel所绑定的EventLoop。

@Override
public EventExecutor executor() {
    if (executor == null) {
        return channel().eventLoop();
    } else {
        return executor;
    }
}

3.2 callHandlerCallbackLater

在添加完ChannelHandler之后将调用ChannledHandler的handlerAdded方法，但是此时有可能还未绑定EventLoop，而handlerAdded方法的调用必须在EventLoop线程内执行，此时就需要调用callHandlerCallbackLater方法在pendingHandlerCallbackHead链表中添加一个PendingHandlerAddedTask。

private void callHandlerCallbackLater(AbstractChannelHandlerContext ctx, boolean added) {
    assert !registered;

    PendingHandlerCallback task = added ? new PendingHandlerAddedTask(ctx) : new PendingHandlerRemovedTask(ctx);
    PendingHandlerCallback pending = pendingHandlerCallbackHead;
    if (pending == null) {
        pendingHandlerCallbackHead = task;
    } else {
        // Find the tail of the linked-list.
        while (pending.next != null) {
            pending = pending.next;
        }
        pending.next = task;
    }
}

接下来咱们看一下PendingHandlerAddedTask的代码，逻辑在execute方法里，这里直接调用了callHandlerAdded0。

private final class PendingHandlerAddedTask extends PendingHandlerCallback {

    PendingHandlerAddedTask(AbstractChannelHandlerContext ctx) {
        super(ctx);
    }

    @Override
    public void run() {
        callHandlerAdded0(ctx);
    }

    @Override
    void execute() {
        EventExecutor executor = ctx.executor();
        if (executor.inEventLoop()) {
            callHandlerAdded0(ctx);
        } else {
            try {
                executor.execute(this);
            } catch (RejectedExecutionException e) {
                
            }
        }
    }
}

3.3 callHandlerAdded0

不管是在未绑定EventLoop的情况下延迟调用handlerAdded还是在已经绑定了EventLoop的情况下立即调用HandlerAdded，最终都会调用到callHandlerAdded0方法。这里干了两件事，一是调用ChannelHandler的handlerAdded方法，二是将HandlerContext的状态设置为ADD_COMPLETE状态。

private void callHandlerAdded0(final AbstractChannelHandlerContext ctx) {
    try {
        ctx.handler().handlerAdded(ctx);
        ctx.setAddComplete();
    } catch (Throwable t) {
           
}

3.4 添加多个ChannelHandler后的Pipeline

还记得咱们的“Netty整体架构图”吗，在这里咱们把Pipeline部分单独放大拿出来看一下，在添加完多个ChannelHandler之后，Pipeline的结构是这样的。

多ChannelHandler的Pipeline

4 删除ChannelHandler

在Pipeline中有几个以remove开头的方法，这些方法的作用就是删除ChannelHandler。

• remove(ChannelHandler handler)：从head向tail查找，用==判断是否为同一实例，只删除第1个。
• remove(Class handlerType)：从head向tail查找，用isAssignableFrom方法判断是否为符合条件的类型，只删除第1个。
• remove(String name)：从head向tail查找，用name精确匹配查找，只删除第1个，因为name不能重复，所以这里删除第1个也是唯一的1个。
• removeFirst：删除head的后一个，不能删除tail。
• removeLast：删除tail的前一个，不能删除head。

上述无论哪种删除方式在查找到对应的HandlerContext后都会调用到remove(final AbstractChannelHandlerContext ctx)方法，查找过程比较简单，咱们不再展开，直接看remove(final AbstractChannelHandlerContext ctx)方法。

看看这个方法的实现，是不是和addLast(EventExecutorGroup group, String name, ChannelHandler handler)很相似，非常相似。首先从双向链表中删除ChannelHandlerContext，再调用callHandlerRemoved0方法，callHandlerRemoved0方法内会调用handlerRemoved方法，这个调用必须在EventLoop线程内进行。如果删除时还未绑定EventLoop则添加一个异步任务到链表pendingHandlerCallbackHead中。

如果已经绑定了EventLoop并且当前线程非EventLoop线程则向EventLoop提交一个异步任务，否则直接调用callHandlerRemoved0方法。

private AbstractChannelHandlerContext remove(final AbstractChannelHandlerContext ctx) {
    synchronized (this) {
        //从双向链表中删除`ChannelHandlerContext`
        remove0(ctx);
        
        //如果还未绑定`EventLoop`，则稍后调用`handlerRemoved`方法
        if (!registered) {
            callHandlerCallbackLater(ctx, false);
            return ctx;
        }
        //如果已经绑定了`EventLoop`，但是当前线程非`EventLoop`线程的话，就发起一个异步任务调用callHandlerRemoved0方法
        EventExecutor executor = ctx.executor();
        if (!executor.inEventLoop()) {
            executor.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    callHandlerRemoved0(ctx);
                }
            });
            return ctx;
        }
    }
    //如果当前线程就是`EventLoop`线程，则直接调用callHandlerRemoved0方法。
    callHandlerRemoved0(ctx);
    return ctx;
}

callHandlerCallbackLater方法咱们前面已经分析过，和添加ChannelHandler时不同的是，这里向链表添加的是PendingHandlerRemovedTask，这个类也很简单，不再展开。

这里咱们只看一下callHandlerRemoved0方法。这个方法很简单，调用handlerRemoved方法，再把ChannelHandlerContext的状态设置为REMOVE_COMPLETE。

private void callHandlerRemoved0(final AbstractChannelHandlerContext ctx) {
    // Notify the complete removal.
    try {
        try {
            ctx.handler().handlerRemoved(ctx);
        } finally {
            ctx.setRemoved();
        }
    } catch (Throwable t) {
        fireExceptionCaught(new ChannelPipelineException(
                ctx.handler().getClass().getName() + ".handlerRemoved() has thrown an exception.", t));
    }
}

4 pendingHandlerCallbackHead链表中的任务什么时候调用

在AbstractUnsafe的register0方法中，在绑定EventLoop以后，会调用pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded()方法，我们看一下pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded()方法。

private void register0(ChannelPromise promise) {
try {
    
    // 去完成那些在绑定EventLoop之前触发的添加handler操作，这些操作被放在pipeline中的pendingHandlerCallbackHead中，是个链表
    pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded();
    
}

invokeHandlerAddedIfNeeded方法调用了callHandlerAddedForAllHandlers方法，咱们接着看下去。

final void invokeHandlerAddedIfNeeded() {
    assert channel.eventLoop().inEventLoop();
    if (firstRegistration) {
        firstRegistration = false;

        callHandlerAddedForAllHandlers();
    }
}

callHandlerAddedForAllHandlers方法的逻辑咱就不再展开来说了，非常简单，就是遍历pendingHandlerCallbackHead这个单向链表，依次调用每个元素的execute方法，并且清空这个单向链表。

private void callHandlerAddedForAllHandlers() {
    final PendingHandlerCallback pendingHandlerCallbackHead;
    synchronized (this) {
        assert !registered;

        registered = true;

        pendingHandlerCallbackHead = this.pendingHandlerCallbackHead;

        this.pendingHandlerCallbackHead = null;
    }

    PendingHandlerCallback task = pendingHandlerCallbackHead;
    while (task != null) {
        task.execute();
        task = task.next;
    }
}

5 总结

Pipeline中的最重要的数据结构就是由多个ChannelHandlerContext组成的双向链表，而每个ChannelHandlerContext中包含一个ChannelHandler，ChannelHandler既可以添加也可以删除。在Pipeline中有两个特殊的ChannelHandlerContext分别是HeadContext及TailContext，这两个ChannelHandlerContext中不包含ChannelHandler，而是采用继承的方式。HeadContext实现了ChannelOutBoundHandler和ChannelInBoundHandler，而TailContext实现了ChannelInBoundHandler。

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关于作者

王建新，转转架构部资深Java工程师，主要负责服务治理、RPC框架、分布式调用跟踪、监控系统等。爱技术、爱学习，欢迎联系交流。
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