NioEventLoop相对NioEventLoopGroup来说就复杂很多了，需要一定的耐心来看这篇文章。
首先从NioEventLoop的启动讲起，对于线程池来说，启动一般都是从第一个任务的添加开始的。经过跟踪，找到execute()方法在SingleThreadEventExecutor类中：
public void execute(Runnable task) {
if (task == null) {
throw new NullPointerException("task");
}
// inEventLoop表示启动线程与当前线程相同，相同表示已经启动，不同则有两种可能：未启动或者线程不同
boolean inEventLoop = inEventLoop();
if (inEventLoop) {
// 运行中则直接添加任务到队列中
addTask(task);
} else {
// 尝试启动任务
startExecution();
// 将任务加到任务队列taskQueue中
addTask(task);
// 发现已经关闭则移除任务并拒绝
if (isShutdown() && removeTask(task)) {
reject();
}
}
if (!addTaskWakesUp && wakesUpForTask(task)) {
// 唤醒执行线程
wakeup(inEventLoop);
}
}
private void startExecution() {
// 未启动的状态下才进行启动
if (STATE_UPDATER.get(this) == ST_NOT_STARTED) {
if (STATE_UPDATER.compareAndSet(this, ST_NOT_STARTED, ST_STARTED)) {
// 增加一个定时任务，该任务将定时任务队列中的已取消任务从队列中移除，该任务每间隔1秒执行1次
schedule(new ScheduledFutureTask<Void>(
this, Executors.<Void>callable(new PurgeTask(), null),
ScheduledFutureTask.deadlineNanos(SCHEDULE_PURGE_INTERVAL), -SCHEDULE_PURGE_INTERVAL));
// 开始执行
scheduleExecution();
}
}
}
// 如果已经关闭了，则不能再加任务，否则加入到任务队列中
protected void addTask(Runnable task) {
if (task == null) {
throw new NullPointerException("task");
}
if (isShutdown()) {
reject();
}
taskQueue.add(task);
}
简单的部分就不用讲了，我们来看看两个可能会让人疑惑的点：
1、scheduleExecution()
这个方法是将asRunnable提交到executor，由于线程池的线程数与EventExecutor的个数相同，所以可以保证每次asRunnable都能及时处理， asRunnable逻辑比较简单，执行所在类中的run方法，这个run方法是个抽象方法，它的实现有几个要求要满足：
a、run方法中只执行一定量的任务。如果执行太多，或者一直执行不跳出，那么后期netty中期望引入的fork/jion框架stealing机制就会失效或者大打折扣；
b、run方法执行完一定量任务后，本次任务完成，此时需要调用scheduleExecution()，否则该EventExecutor后面的任务将无法进行；
c、基于b中子类必须调用scheduleExecution()的要求，任务的执行必须使用try catch方式。如果不这样的话，发生任何异常都会导致EventExecutor关闭，里面的所有任务都将被清理。
另一个需要注意的点是scheduleExecution方法在执行asRunnable前将thread置为null了，该thread表示EventLoop所在线程，由于executor.execute的执行并不能保证是哪个Thread来执行，因此先把thread置为null，等进行asRunnable的run方法后再次设置thread为Thread.currentThread。
protected final void scheduleExecution() {
updateThread(null);
executor.execute(asRunnable);
}
private final Runnable asRunnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
updateThread(Thread.currentThread());
// lastExecutionTime must be set on the first run
// in order for shutdown to work correctly for the
// rare case that the eventloop did not execute
// a single task during its lifetime.
if (firstRun) {
firstRun = false;
updateLastExecutionTime();
}
try {
SingleThreadEventExecutor.this.run();
} catch (Throwable t) {
// 发生异常则关闭整个EventExecutor
logger.warn("Unexpected exception from an event executor: ", t);
cleanupAndTerminate(false);
}
}
下面我们写一段简单的代码来看看，一个简单的异常是如何使整个EventExecutor挂掉的:
public static void main(String[] args) throws Exception {
DefaultEventExecutorGroup group = new DefaultEventExecutorGroup(1);
group.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("a point");
throw new RuntimeException("runtime error");
}
});
Thread.sleep(100);
group.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("b point");
throw new RuntimeException("runtime error");
}
});
Thread.sleep(10000);
group.close();
}
// DefaultEventExecutorGroup 的问题在于其run方法并没有捕获异常，不知道现在修复没有。注意，4.x由于线程模型不同，类似的代码并不会有太大什么问题。
protected void run() {
Runnable task = takeTask();
if (task != null) {
// 正确的做法是捕获task.run的异常
task.run();
updateLastExecutionTime();
}
if (confirmShutdown()) {
cleanupAndTerminate(true);
} else {
scheduleExecution();
}
}
2、wakeup
先回过头看看第一段代码中调用wakeup的地方，其中addTaskWakesUp的表示添加任务时是否会唤醒线程。啥意思呢，比如一个线程里执行了一个阻塞方法 BlockingQueue.take()，该方法在没有获取到数据的时候一直阻塞，要想恢复，往该BlockingQueue中加一个对象就可以了，线程恢复了执行，就可以进行其他判断了（如线程是否被关闭之类的判断）。DefaultEventExecutor传入的addTaskWakesUp=true, 因为它能阻塞的地方就在BlockingQueue.take()，因此加入一个任务可以唤醒线程，这里就为true。 而NioEventLoop阻塞的地方在selector.select，加入task也无法立即唤醒线程，因此addTaskWakesUp=false。
if (!addTaskWakesUp && wakesUpForTask(task)) {
wakeup(inEventLoop);
}
我们来看看针对DefaultEventExecutor和NioEventLoop，wakeup方法有何不同：
// NioEventLoop通过selector.wakeup()来使阻塞在selector.select上的方法恢复
protected void wakeup(boolean inEventLoop) {
if (!inEventLoop && wakenUp.compareAndSet(false, true)) {
selector.wakeup();
}
}
// DefaultEventExecutor则通过往queue里面加一个空的Runnable来是阻塞的take方法恢复，这个也是默认的实现。
protected void wakeup(boolean inEventLoop) {
if (!inEventLoop || STATE_UPDATER.get(this) == ST_SHUTTING_DOWN) {
taskQueue.add(WAKEUP_TASK);
}
}
private static final Runnable WAKEUP_TASK = new Runnable() {
@Override
public void run() {
// Do nothing.
}
};
通常在整个EventExecutor关闭或者添加一个任务时都需要调用唤醒方法。 如果你自己实现的子类里还有其他方法会阻塞，你就需要想办法来恢复线程。
ok，下面开始讲run方法，也是大家最容易感兴趣的方法。SingleThreadEventExecutor的run方法为抽象方法，具体的实现在子类中，那么我们回到NioEventLoop：
protected void run() {
// 每次进来都将wokenUp设为false，这样如果有新任务提交，会触发一次selector.wakeup，这样即使进入下面的select(oldWakenUp)分支
// 也能保证新提交任务能及时执行
boolean oldWakenUp = wakenUp.getAndSet(false);
try {
if (hasTasks()) {
// 当有任务时为了保证任务及时执行采用不阻塞的selectNow获取准备好I/O的连接
selectNow();
} else {
// 当无任务时采用阻塞等待的方式获取连接
select(oldWakenUp);
if (wakenUp.get()) {
selector.wakeup();
}
}
cancelledKeys = 0;
needsToSelectAgain = false;
final int ioRatio = this.ioRatio;
if (ioRatio == 100) {
processSelectedKeys();
runAllTasks();
} else {
final long ioStartTime = System.nanoTime();
processSelectedKeys();
final long ioTime = System.nanoTime() - ioStartTime;
// 根据处理selectKeys的时间 和 ioRatio计算得到处理普通task的时间
runAllTasks(ioTime * (100 - ioRatio) / ioRatio);
}
// 如果被关闭了，则关闭所有连接(closeAll)，并且完成对应的清理任务
if (isShuttingDown()) {
closeAll();
if (confirmShutdown()) {
cleanupAndTerminate(true);
return;
}
}
} catch (Throwable t) {
...
}
scheduleExecution();
}
select(oldWakeUp)与selectNow都是获取已经准备好的连接，不同的是select(oldWakeUp)会产生阻塞，其处理如下：
1、获取定时任务中最近执行的任务，并根据这个时间确定select(timeout)的timeout值，如下个定时任务1秒后执行，则select(1000), 即等待1秒后不管有没有准备好的连接都会返回。 由于EventLoop启动时加入了一个每秒执行一次的任务，这里select最多不会超过1秒， 需要注意的是由于加入定时任务是并不会调用selector.wakeup()，因此执行线程进入select(timeout)后，如果其他线程加入了定时任务且时间小于timeout，就无法及时执行，不过误差小于1秒问题不大。 顺便提醒下nio的异步阻塞的“阻塞”就是指select(timeout)这里；
2、如果发现有定时任务已经可以执行了，则直接selectNow()后返回；
3、java早期的nio bug会导致cpu 100%, 此时select(timeout)不会阻塞直接返回0， 在netty中判断方式为在很短时间内（小于1秒）完成了多次（默认512）select(timeout)，则发生了该bug，此时进行rebuildSelector来消除bug。精简后代码如下：
......
for (;;) {
long timeoutMillis = (selectDeadLineNanos - currentTimeNanos + 500000L) / 1000000L;
int selectedKeys = selector.select(timeoutMillis);
selectCnt ++;
long time = System.nanoTime();
if (time - TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeoutMillis) >= currentTimeNanos) {
// 正常阻塞则将selectCnt置为1，否则selectCnt会一直累加知道进入下面一个分支
selectCnt = 1;
} else if (selectCnt >= 512) {
rebuildSelector();
......
}......
}
接着来看看processSelectedKeys。从方法名可以看出这里主要是处理前面select获取到的已经准备ok的连接。 根据优化情况选择processSelectedKeysPlain和processSelectedKeysOptimized方法，两个方法代码类似。
private void processSelectedKeysOptimized(SelectionKey[] selectedKeys) {
for (int i = 0;; i ++) {
// 在获取所有key(即flip）时会将未最后一个有效key的下一个位置值为null，因此碰到null，说明所有有效的key已经获取完
final SelectionKey k = selectedKeys[i];
if (k == null) {
break;
}
// null out entry in the array to allow to have it GC'ed once the Channel close
// See https://github.com/netty/netty/issues/2363
selectedKeys[i] = null;
final Object a = k.attachment();
// key关联两种不同类型的对象，一种是AbstractNioChannel，一种是NioTask
if (a instanceof AbstractNioChannel) {
processSelectedKey(k, (AbstractNioChannel) a);
} else {
NioTask<SelectableChannel> task = (NioTask<SelectableChannel>) a;
processSelectedKey(k, task);
}
// 如果需要重新select则重置当前数据
if (needsToSelectAgain) {
// null out entries in the array to allow to have it GC'ed once the Channel close
// See https://github.com/netty/netty/issues/2363
for (;;) {
if (selectedKeys[i] == null) {
break;
}
selectedKeys[i] = null;
i++;
}
selectAgain();
// Need to flip the optimized selectedKeys to get the right reference to the array
// and reset the index to -1 which will then set to 0 on the for loop
// to start over again.
//
// See https://github.com/netty/netty/issues/1523
selectedKeys = this.selectedKeys.flip();
i = -1;
}
}
}
上面的处理过程中有一个needsToSelectAgain，什么情况下会触发这个条件呢。当多个channel从selector中撤销注册时，由于很多数据无效了（默认为256），需要重新处理：
void cancel(SelectionKey key) {
key.cancel();
cancelledKeys ++;
if (cancelledKeys >= CLEANUP_INTERVAL) {
cancelledKeys = 0;
needsToSelectAgain = true;
}
}
一个selectedKey的attachment可能对应AbstractNioChannel和NioTask两种对象。第一种很好理解，就是我们常用的netty nio连接。另一个NioTask则是作者给我们留的一个接口，他可以允许开发者自己去实现一个非netty AbstractNioChannel的SelectableChannel， 对于这种对象，准备好数据后会调用对象的NioTask.channelReady方法，由开发者自己实现对应的方法。如果你想要一个NioTask的例子，很遗憾的告诉你我没有，也不想写，连netty的开发者都说“你要是实现了请告诉我”，当然，他说的是英文！ 再看看Channel的处理：
private static void processSelectedKey(SelectionKey k, AbstractNioChannel ch) {
final AbstractNioChannel.NioUnsafe unsafe = ch.unsafe();
if (!k.isValid()) {
// close the channel if the key is not valid anymore
unsafe.close(unsafe.voidPromise());
return;
}
try {
int readyOps = k.readyOps();
// 如果准备好READ或ACCEPT则触发channel.unsafe().read()
if ((readyOps & (SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_ACCEPT)) != 0 || readyOps == 0) {
// 这里的操作与channel相关，不是本文重点，但以后会介绍
unsafe.read();
if (!ch.isOpen()) {
// 如果已经关闭，则不需要再处理该channel的其他事件，直接返回
return;
}
}
if ((readyOps & SelectionKey.OP_WRITE) != 0) {
// 如果准备好了WRITE则将缓冲区中的数据发送出去，如果缓冲区中数据都发送完成，则清除之前关注的OP_WRITE标记
ch.unsafe().forceFlush();
}
if ((readyOps & SelectionKey.OP_CONNECT) != 0) {
// 需要移除OP_CONNECT否则Selector.select(timeout)可能会出现cpu 100%
// See https://github.com/netty/netty/issues/924
int ops = k.interestOps();
ops &= ~SelectionKey.OP_CONNECT;
k.interestOps(ops);
unsafe.finishConnect();
}
} catch (CancelledKeyException ignored) {
unsafe.close(unsafe.voidPromise());
}
}
runAllTasks主要分成两步：
1、从定时任务队列拉取到执行时间的任务到任务队列；
2、循环从任务队列里取数据，知道队列为空。正常情况下ioRatio是非100的，所以for这部分的执行是有时间限制的，具体代码见runAllTasks(long timeoutNanos)，这里就不再贴出了。
还记得之前介绍的wakeup方法吗，NioEventLoop只对selector进行了wakeup，而没有对队列进行wakeup，因为下面的pollTask是采用的非阻塞方式。
protected boolean runAllTasks() {
fetchFromScheduledTaskQueue();
Runnable task = pollTask();
if (task == null) {
return false;
}
for (;;) {
try {
task.run();
} catch (Throwable t) {
logger.warn("A task raised an exception.", t);
}
task = pollTask();
if (task == null) {
lastExecutionTime = ScheduledFutureTask.nanoTime();
return true;
}
}
}
到这里run方法介绍得差不多了，剩下一段对关闭状态的处理。 关闭的处理我们可以先看shutdownGracefully，netty号称实现优雅关闭，那么它是如何优雅的？
1、如果ST_NOT_STARTED或者ST_STARTED尝试将状态切换为ST_SHUTTING_DOWN，如果被别的线程抢先执行了，则此线程直接返回Future等待结果即可；
2、切换状态成功的线程可以进行后面的逻辑： 如果线程未启动则发起一次scheduleExecution，让EventLoop进行后面的清理逻辑。
3、如果线程在执行中则进行wakeup唤起阻塞的线程。
3、EventLoop执行run方法的倒数第二部分：判断状态被置为关闭，进行最后的清理工作。
public Future<?> shutdownGracefully(long quietPeriod, long timeout, TimeUnit unit) {
boolean inEventLoop = inEventLoop();
boolean wakeup;
int oldState;
// 尝试切换EventLoop状态，如果竞争失败则返回Future等待结果
for (;;) {
if (isShuttingDown()) {
return terminationFuture();
}
int newState;
wakeup = true;
oldState = STATE_UPDATER.get(this);
if (inEventLoop) {
newState = ST_SHUTTING_DOWN;
} else {
switch (oldState) {
case ST_NOT_STARTED:
case ST_STARTED:
newState = ST_SHUTTING_DOWN;
break;
default:
newState = oldState;
wakeup = false;
}
}
// 由于newState和oldState可能相同，这里可能执行多次，但是没有关系，在关闭状态下即使这里成功了，也不满足执行scheduleExecution和wakeup的条件
if (STATE_UPDATER.compareAndSet(this, oldState, newState)) {
break;
}
}
gracefulShutdownQuietPeriod = unit.toNanos(quietPeriod);
gracefulShutdownTimeout = unit.toNanos(timeout);
if (oldState == ST_NOT_STARTED) {
scheduleExecution();
}
// 如果之前的状态是运行中，需要进行一次唤醒，防止一直阻塞或者阻塞时间很长
if (wakeup) {
wakeup(inEventLoop);
}
return terminationFuture();
}
清理包括以下几步：
1、关闭当前EventLoop下的selector维护的所有连接，包括AbstractNioChannel和NioTask, 对应closeAll();
2、取消所有定时任务并清空定时任务队列，所有未执行的非定时任务执行完毕, 所有shutdownHook执行完毕，对应confirmShutdown();
3、如果confirmShutdown()失败（返回false）则进入下一轮run继续尝试，否则进行cleanupAndTerminate方法，循环调用confirmShutdown()直到所有任务执行完，将状态设为ST_TERMINATED， 将selector关闭。 confirmShutdown返回失败的场景：confirmShutdown方法中成功执行了一个任务则返回失败，而由于shutdownGracefully只是将状态设为ST_SHUTTING_DOWN，还可以往队列中添加任务，因此这里有失败的可能。
最后我们做个简单的总结：
1、通过execute方法触发运行，运行方式为使用executor.execute执行asRunnable， asRunnable执行EventExecutor类中的run方法；
2、子类通过实现run方法来定制自己的功能。在NioEventLoop中，执行一批操作的过程如下：
2.1 从selector中取出准备好的连接，处理这批连接的读、写事件或者NioTask中的channelReady方法
2.2 处理非I/O事件
2.3 判断状态是否为ST_SHUTTING_DOWN，如果是则进行资源清理操作，包括关闭连接、取消定时任务、处理剩余的非定时任务、处理shutdownHook, 关闭selector
2.4 如果状态不为ST_SHUTTING_DOWN，再次调用executor.execute方法执行asRunnable，如此循环。 同一个EventExecutor中执行完一批操作才会触发下一批操作，因此依然是线程安全的；
3、通过shutdownGracefully关闭，主要是设置关闭状态，并触发run方法的执行（执行到2.3），通过这种方式让对应的EventExecutor生命周期自然终止。