Netty系列-2 NioServerSocketChannel和NioSocketChannel介绍

Ewen Seong2024-09-01 15:44

背景

本文介绍Netty的通道组件NioServerSocketChannel和NioSocketChannel，从源码的角度介绍其实现原理。

1.NioServerSocketChannel

Netty本质是对NIO的封装和增强，因此Netty框架中必然包含了对于ServerSocketChannel的构建、配置以及向选择器注册，如下所示:

java 复制代码 
// 创建ServerSocketChannel对象
ServerSocketChannel serverSocketChannel = SelectorProvider.provider().openServerSocketChannel();

// ServerSocketChannel通道设置为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);

// 将ServerSocketChannel通道注册至选择器
serverSocketChannel.register(Selector, opts, attachment);

// 接收客户端连接得到SocketChannel通道
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

其中的构建和配置过程发生在NioServerSocketChannel的实例化过程。

1.1 NioServerSocketChannel构造函数

NioServerSocketChannel实例化过程包含了对serverSocketChannel的创建以及配置

Netty启动时，通过反射调用NioServerSocketChannel的无参构造函数创建NioServerSocketChannel对象.

java 复制代码 
private static final SelectorProvider DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER = SelectorProvider.provider();

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

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

DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER是Provider对象，用于创建通道和选择器，newSocket方法返回一个ServerSocketChannel对象，如下所示:

java 复制代码 
private static ServerSocketChannel newSocket(SelectorProvider provider) {
    try {
        return provider.openServerSocketChannel();
    } catch (IOException e) {
        throw new ChannelException("Failed to open a server socket.", e);
    }
}

NioServerSocketChannel中还维护了一个config对象用于储存该通道相关的配置，后续通过通道对象的config()方法获取该config对象。

继续调用父类的构造方法:

java 复制代码 
protected AbstractNioChannel(Channel parent, SelectableChannel ch, int readInterestOp) {
    super(parent);
    this.ch = ch;
    this.readInterestOp = readInterestOp;
    try {
        ch.configureBlocking(false);
    } catch (IOException e) {
        try {
            ch.close();
        } catch (IOException e2) {
            logger.warn("Failed to close a partially initialized socket.", e2);
        }

        throw new ChannelException("Failed to enter non-blocking mode.", e);
    }
}

// super(parent)内容如下:
protected AbstractChannel(Channel parent) {
    this.parent = parent;
    id = newId();
    unsafe = newUnsafe();
    pipeline = newChannelPipeline();
}

因此NioServerSocketChannel中包含如下属性:

[1] SelectableChannel ch：实际为ServerSocketChannel类型，即NIO中的服务端通道类型，并将其配置为非阻塞类型，以便后续向选择器注册；

[2] int readInterestOp: 值固定为SelectionKey.OP_ACCEPT，表示仅处理连接事件;

[3] pipeline: Netty的Pipeline组件，每个channel都有一个属于自己的Pipeline对象;

[4] unsafe: 对底层IO进行了封装，实际的读写操作在该类中进行处理;

[5] 其他: id唯一ID标识，parent固定为空。

1.2 NioServerSocketChannel注册

NioServerSocketChannel包含了ServerSocketChannel对象，向选择器注册NioServerSocketChannel本质是将ServerSocketChannel注册到选择器

在Netty启动流程流程中，依次构造ServerSocketChannel, 并注册到选择器上，具体逻辑为:

java 复制代码 
// NioServerSocketChannel的父类AbstractNioChannel中
// 删除try-catch异常逻辑
protected void doRegister() throws Exception {
	boolean selected = false;
	for (;;) {
		selectionKey = javaChannel().register(eventLoop().unwrappedSelector(), 0, this);
		return;
	}
}

其中: javaChannel()获取NioServerSocketChannel对象的ServerSocketChannel属性；eventLoop().unwrappedSelector()为NioEventLoop这个线程绑定的选择器；此处的this表明将ServerSocketChannel注册到选择器上时，将当前的NioServerSocketChannel对象作为attachment保存到SelectionKey中，并使用volatile SelectionKey selectionKey;属性保存了注册结果。

说明：后续选择器会执行select而阻塞，当该选择器被IO事件唤醒时，可通过SelectionKey的attachment获取NioServerSocketChannel对象，从而可以获取包括ServerSocketChannel、Pipeline、Config等其他所有相关信息。

1.3 NioServerSocketChannel处理连接

章节1.1中提到了NioServerSocketChannel的unsafe属性，unsafe用于封装底层具体的IO行为，具体的实现类为NioMessageUnsafe.

当有连接请求到达NioServerSocketChannel后，进入NioMessageUnsafe的read()方法中(详细的调用流程和线程处理关系在后续Netty的消息处理流程中介绍, 这里仅对read方法实现逻辑进行说明)，read方法省去内存分配优化策略以及异常处理逻辑后的主线逻辑如下:

java 复制代码 
private final class NioMessageUnsafe extends AbstractNioUnsafe {

    private final List<Object> readBuf = new ArrayList<Object>();

    @Override
    public void read() {
		// ...
        final ChannelPipeline pipeline = pipeline();

		do {
			// ...
			doReadMessages(readBuf);
			
		} while (allocHandle.continueReading());

		int size = readBuf.size();
		for (int i = 0; i < size; i ++) {
			readPending = false;
			pipeline.fireChannelRead(readBuf.get(i));
		}
		readBuf.clear();
		pipeline.fireChannelReadComplete();
    }
}

readBuf是一个列表类型，用于存放解析后的消息对象，解析完成后，依次遍历readBuf，并调用pipeline.fireChannelRead将消息对象发送至Netty的Pipeline组件(后面单独介绍)。

解析逻辑在doReadMessages方法中:

java 复制代码 
protected int doReadMessages(List<Object> buf) throws Exception {
    SocketChannel ch = SocketUtils.accept(javaChannel());

    try {
        if (ch != null) {
            buf.add(new NioSocketChannel(this, ch));
            return 1;
        }
    } catch (Throwable t) {
        logger.warn("Failed to create a new channel from an accepted socket.", t);

        try {
            ch.close();
        } catch (Throwable t2) {
            logger.warn("Failed to close a socket.", t2);
        }
    }
    return 0;
}


// SocketUtils.accept(javaChannel())代码逻辑:
public static SocketChannel accept(final ServerSocketChannel serverSocketChannel) throws IOException {
    // 删除try-catch异常逻辑
    return AccessController.doPrivileged(new PrivilegedExceptionAction<SocketChannel>() {
        @Override
        public SocketChannel run() throws IOException {
            return serverSocketChannel.accept();
        }
    });
}

javaChannel()得到ServerSocketChannel对象，serverSocketChannel.accept()得到客户端通道对象SocketChannel。将当前服务端通道NioServerSocketChannel对象和得到的客户端通道对象SocketChannel作为参数构造NioSocketChannel对象。

2.NioSocketChannel

与NioServerSocketChannel相似，NioSocketChannel也是Netty对NIO中ServerSocketChannel的封装和增强。本章节内容将包含SocketChannel的构建、配置、向选择器注册以及读取数据，如下所示:

java 复制代码 
// 得到SocketChannel对象
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

// SocketChannel通道设置为非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);

// 将SocketChannel通道注册至选择器
socketChannel.register(Selector, opts, attachment);

// 从SocketChannel通道读取数据值缓冲区
socketChannel.read(ByteBuffer)

2.1 NioSocketChannel构造函数

每个客户端连接对应一个通道，即一个NioSocketChannel对象。

Netty收到客户端连接时，会调用NioSocketChannel构造函数创建通道对象，如下所示:

java 复制代码 
public NioSocketChannel(Channel parent, SocketChannel socket) {
    super(parent, socket);
    config = new NioSocketChannelConfig(this, socket.socket());
}

parent为NioServerSocketChannel对象，socket为NIO中SocketChannel对象。NioSocketChannel与NioServerSocketChannel相似，维持了一个config配置类用于存放和读取通道的配置信息。

继续沿着super调用父类的构造方法:

java 复制代码 
protected AbstractNioByteChannel(Channel parent, SelectableChannel ch) {
	super(parent, ch, SelectionKey.OP_READ);
}

protected AbstractNioChannel(Channel parent, SelectableChannel ch, int readInterestOp) {
	super(parent);
	this.ch = ch;
	this.readInterestOp = readInterestOp;
	try {
		ch.configureBlocking(false);
	} catch (IOException e) {
		try {
			ch.close();
		} catch (IOException e2) {
			logger.warn("Failed to close a partially initialized socket.", e2);
		}
		throw new ChannelException("Failed to enter non-blocking mode.", e);
	}
}

protected AbstractChannel(Channel parent) {
	this.parent = parent;
	id = newId();
	unsafe = newUnsafe();
	pipeline = newChannelPipeline();
}

上述构造过程逻辑较为简单，为NioSocketChannel创建一个Unsafe对象和Pipeline对象；以及将ch属性即SocketChannel设置为非阻塞。

2.2 注册选择器

NioServerSocketChannel接收客户端连接构造出NioSocketChannel对象，并通过Pipeline.fireChannelRead触发Inbound读事件后，通过Pipiline进入ServerBootstrapAcceptor处理器的channelRead方法:

java 复制代码 
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
    final Channel child = (Channel) msg;
	// ...
	childGroup.register(child).addListener(new ChannelFutureListener() {//...});
}

由章节1可知msg消息为NioSocketChannel，childGroup为线程池NioEventLoopGroup对象(workgroup)。
childGroup.register(child)表示将NioSocketChannel注册到workgroup的一个线程中，经过Unsafe对象最终会进入NioSocketChannel的doRegister方法:

java 复制代码 
@Override
protected void doRegister() throws Exception {
    // ...
	selectionKey = javaChannel().register(eventLoop().unwrappedSelector(), 0, this);
    // ...
}

javaChannel()为NioSocketChannel的ch属性，即SocketChannel通道对象；eventLoop().unwrappedSelector()为选择器；this为NioSocketChannel对象本身；返回的SelectionKey也作为属性保存在NioSocketChannel类中。

说明：后续选择器会执行select而阻塞，当有可读消息到达时被唤醒。可通过SelectionKey得到NioSocketChannel对象，从而得到相关的SocketChannel、Pipeline、Config等其他所有相关信息。

2.3 读取消息

当有可读时间到达时，NioEvetLoop会从阻塞中被唤醒，从而执行processSelectedKeys处理IO事件：

java 复制代码 
private void processSelectedKeys() {
    // ...
	processSelectedKeysOptimized();
	// ...
}

private void processSelectedKeysOptimized() {
	for (int i = 0; i < selectedKeys.size; ++i) {
		final SelectionKey k = selectedKeys.keys[i];
		selectedKeys.keys[i] = null;
		final Object a = k.attachment();
		processSelectedKey(k, (AbstractNioChannel) a);
	}
}

遍历已就绪的IO事件，调用processSelectedKey方法处理，此时k为NIO的SelectionKey对象，而attachment为NioSocketChannel对象。

java 复制代码 
private void processSelectedKey(SelectionKey k, AbstractNioChannel ch) {
	final AbstractNioChannel.NioUnsafe unsafe = ch.unsafe();
	int readyOps = k.readyOps();
	//...
	if ((readyOps & (SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_ACCEPT)) != 0 || readyOps == 0) {
		unsafe.read();
	}
	// ...
}

根据SelectionKey和NioSocketChannel对象的readyOps确定此时IO事件为可读消息，进入unsafe.read()：

java 复制代码 
@Override
public final void read() {
	final ChannelConfig config = config();
	final ChannelPipeline pipeline = pipeline();
	final ByteBufAllocator allocator = config.getAllocator();
	ByteBuf byteBuf = null;
	boolean close = false;
	// ...
	do {
		// ...
        // 1.分配ButeBuf缓冲对象
		byteBuf = allocHandle.allocate(allocator);
		// 2.将数据读取到ButeBuf缓冲对象
        allocHandle.lastBytesRead(doReadBytes(byteBuf));
		if (allocHandle.lastBytesRead() <= 0) {
			byteBuf.release();
			byteBuf = null;
			break;
		}
		readPending = false;
        // 3.向Pipeline传递可读消息
		pipeline.fireChannelRead(byteBuf);
		byteBuf = null;
        // 直到读取完所有消息内容
	} while (allocHandle.continueReading());
	// ...
    // 触发消息读取完成事件
	pipeline.fireChannelReadComplete();
	// ...
}

代码较为清晰，重点包含3个步骤：创建ByteBuf缓冲对象(Netty自定义的，而非NIO的ByteBuffer); 将消息读取到ButeBuf对象，向Pipeline触发可读事件(在Pipeline的Handler中传递并处理消息)；其中，核心逻辑在于doReadBytes(byteBuf):

java 复制代码 
@Override
protected int doReadBytes(ByteBuf byteBuf) throws Exception {
	// ...
	return byteBuf.writeBytes(javaChannel(), allocHandle.attemptedBytesRead());
}

javaChannel()是NIO的SocketChannel对象，继续跟进ByteBuf的writeBytes方法进入:

java 复制代码 
@Override
public int writeBytes(ScatteringByteChannel in, int length) throws IOException {
    //...
	int writtenBytes = setBytes(writerIndex, in, length);
	//...
	return writtenBytes;
}

@Override
public final int setBytes(int index, ScatteringByteChannel in, int length) throws IOException {
	try {
		return in.read(internalNioBuffer(index, length));
	} catch (ClosedChannelException ignored) {
		return -1;
	}
}

可以看到底层逻辑在于in.read(internalNioBuffer(index, length)), 返回一个ByteBuffer对象，in此时为SocketChannel, 即本质是调用NIO通道的API将数据读取至缓冲区: SocketChannel.read(ByteBuffer).

2.3 响应消息

Netty中Pipeline的任何一个Handler中都可以发送响应消息，响应消息也会沿着Pipeline的流水线传递，并经过网卡传递出去:

java 复制代码 
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
    ctx.writeAndFlush("hello");
}

注意：需要在此Handler前添加StringEncoder编码器，将String类型转为ByteBuf类型，否则会抛出异常。因为NioSocketChannel的Unsafe对象也维持在了Pipeline的HeadContext对象中，所有的消息最终会经过Unsafe的write方法，而Unsafe只会处理ByteBuf类型消息，其他类型会抛出异常。

追踪ctx.writeAndFlush("hello")进入invokeWriteAndFlush方法:

java 复制代码 
void invokeWriteAndFlush(Object msg, ChannelPromise promise) {
	// ...
	invokeWrite0(msg, promise);
	invokeFlush0();
	// ...
}

依次调用invokeWrite0和invokeFlush0实现写操作和刷盘操作, 分别进入Unsafe对象的write和flush方法:

java 复制代码 
public void write(ChannelHandlerContext ctx, Object msg, ChannelPromise promise) {
	unsafe.write(msg, promise);
}

public void flush(ChannelHandlerContext ctx) {
	unsafe.flush();
}

unsafe最终调用doWrite方法实现IO功能:

java 复制代码 
protected void doWrite(ChannelOutboundBuffer in) throws Exception {
	SocketChannel ch = javaChannel();
	int writeSpinCount = config().getWriteSpinCount();
	do {
		// ...			
		ByteBuffer buffer = nioBuffers[0];
		int attemptedBytes = buffer.remaining();
		final int localWrittenBytes = ch.write(buffer);
		--writeSpinCount;
		// ...					
	} while (writeSpinCount > 0);
	incompleteWrite(writeSpinCount < 0);
}

核心逻辑在与ch.write(buffer)，其中ch和buffer分别是NIO的SocketChannel和ByteBuffer,

即Netty向客户端发送消息底层仍是借助NIO的API.

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