netty5笔记-总体流程分析1-ServerBootstrap启动

     前面我们分析了netty内存池、线程模型，比较难的两个点已经被一一消化，接下来我们开始进入大家最关心的环节，总体流程分析。 这里我选了io.netty.example.http.snoop来作为分析的入口，分别从server端、client端的维度来看看netty是如果设计的。这里你将了解比较详细的netty处理流程，让你在今后的应用中不再感到疑惑 。 如果还有不清楚的地方，可以直接交流，通过交流发现问题，并不断完善这系列文章。 本文假设你对netty已有大致了解，需要更深入的了解它的运作流程。如果是初学者，可能会发现头晕、眼花、脑抽经等症状。

        配置篇

       首先看看snoop包的server端启动代码。 在netty中，不管是server还是client，都是由引导类进行启动。在启动之前需要先做好各种参数的配置。可以配置的参数如下：

字段	类型	说明	server模式	client模式
options	Map	channel的配置项	作用于ServerChannel
childOptions	Map	channel的配置项	作用于Channel
attrs	Map	自定义的channel属性	作用于ServerChannel	作用于Channel
childAttrs	Map	自定义的channel属性	作用于Channel
handler	ChannelHandler	连接处理器	作用于ServerChannel	作用于Channel
childHandler	ChannelHandler	连接处理器	作用于Channel
group	EventLoopGroup	注册并处理连接	作用于ServerChannel	作用于Channel
childGroup	EventLoopGroup	注册并处理连接	作用于Channel
channelFactory	ChannelFactory	生成连接对象的工厂类	生成ServerChannel	生成Channel

        除了channelFactory所有的字段都分成了xxx和childxxx两个相对应的字段，名称上能很容易的分出来字段的作用范围。 如我们希望设置SO_REUSEADDR参数，该参数作用于ServerSocket，则设置时调用option(ChannelOption.SO_REUSEADDR, true)。对于Server端来说，比较常见的几个设置：SO_KEEPALIVE、SO_REUSEADDR、TCP_NODELAY、SO_BACKLOG。

       我们知道netty采用了reactor的设计模式，其中mainReactor主要负责连接的建立，连接建立后交由subReactor处理，而subReactor则主要负责处理读写等具体的事件。这里mainReactor的实际执行者是bossGroup，而subReactor的实际执行者则是workerGroup。 下面是HttpSnoopServer类中main方法的主要代码（去掉了一部分）

[java]  view plain  copy

1. EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);  
2. EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();  
3. try {  
4.     ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();  
5.     b.group(bossGroup, workerGroup)  
6.      .channel(NioServerSocketChannel.class)  
7.      .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))  
8.      .childHandler(new HttpSnoopServerInitializer(sslCtx));  
9.   
10.     Channel ch = b.bind(PORT).sync().channel();  
11.     ch.closeFuture().sync();  
12. } finally {  
13.     bossGroup.shutdownGracefully();  
14.     workerGroup.shutdownGracefully();  
15. }  

        这里bossGroup只启用了一个线程，因为一个端口只能创建一个ServerChannel，该ServerChannel的整个生命周期都在bossGroup中。如果你想用同一个ServerBootstrap启动多个端口，则bossGroup的大小需要根据启动的端口数调整。handler设置为LogginHandler，表示在ServerChannel的处理链中加入了日志记录（这个与客户端连接无关，即它只记录ServerChannel的注册、注销、关闭等，而不会记录客户端连接的相应事件。之前有同学加了LoggingHandler而没看到客户端的相应日志，就是这样了。需要的话要在childHandler的Initializer中加入LoggingHandler）。 childHandler设置为HttpSnoopServerInitializer，即用户连接使用HttpSnoopServerInitializer进行处理。

        初始化完成开始调用bind(port)方法，bind首先会对各个参数进行验证，如channelFactory是否设置,group、childGroup是否设置，端口是否设置等，验证通过后，最终调用doBind方法（AbstractBootstrap中)。

[java]  view plain  copy

1. private ChannelFuture doBind(final SocketAddress localAddress) {  
2.     // 初始化并注册Channel(此时是ServerChannel)  
3.     final ChannelFuture regFuture = initAndRegister();  
4.     final Channel channel = regFuture.channel();  
5.     // 如果注册出错则直接返回  
6.     if (regFuture.cause() != null) {  
7.         return regFuture;  
8.     }  
9.   
10.     // 注册完成调用doBind0，否则添加一个注册事件的监听器，该监听器在监听到注册完成后也会触发doBind0操作  
11.     if (regFuture.isDone()) {  
12.         // At this point we know that the registration was complete and successful.  
13.         ChannelPromise promise = channel.newPromise();  
14.         doBind0(regFuture, channel, localAddress, promise);  
15.         return promise;  
16.     } else {  
17.         // 一般来说都会是进入isDone，这里是以防万一  
18.         final PendingRegistrationPromise promise = new PendingRegistrationPromise(channel);  
19.         regFuture.addListener(new ChannelFutureListener() {  
20.             @Override  
21.             public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {  
22.                 Throwable cause = future.cause();  
23.                 if (cause != null) {  
24.                     promise.setFailure(cause);  
25.                 } else {  
26.                     promise.executor = channel.eventLoop();  
27.                 }  
28.                 doBind0(regFuture, channel, localAddress, promise);  
29.             }  
30.         });  
31.         return promise;  
32.     }  
33. }  

        doBind首先会调用initAndRegister方法，来看看这个方法做了什么：

[java]  view plain  copy

1. final ChannelFuture initAndRegister() {  
2.     final Channel channel = channelFactory().newChannel();  
3.     try {  
4.         init(channel);  
5.     } catch (Throwable t) {  
6.         channel.unsafe().closeForcibly();  
7.         // 此时连接还未注册到EventLoopGroup，因此使用GlobalEventExecutor  
8.         return new DefaultChannelPromise(channel, GlobalEventExecutor.INSTANCE).setFailure(t);  
9.     }  
10.   
11.     // 将连接注册到group中  
12.     ChannelFuture regFuture = group().register(channel);  
13.     if (regFuture.cause() != null) {  
14.         if (channel.isRegistered()) {  
15.             channel.close();  
16.         } else {  
17.             channel.unsafe().closeForcibly();  
18.         }  
19.     }  
20.   
21.     return regFuture;  
22. }  

        channelFactory().newChannel()方法创建了一个 NioServerSocketChannel实例，该实例初始化时由SelectorProvider.provider().openServerSocketChannel()来打开一个ServerSocketChannel，同时会调用configureBlocking(false)将其IO模式设置为非阻塞。

[java]  view plain  copy

1.     private static final SelectorProvider DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER = SelectorProvider.provider();  
2.     private static ServerSocketChannel newSocket(SelectorProvider provider) {  
3.         try {  
4.             // 打开一个ServerSocketChannel  
5.             return provider.openServerSocketChannel();  
6.         } catch (IOException e) {  
7.             throw new ChannelException(  
8.                     "Failed to open a server socket.", e);  
9.         }  
10.     }  
11.   
12.     public NioServerSocketChannel() {  
13.         this(newSocket(DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER));  
14.     }  
15.   
16.     public NioServerSocketChannel(ServerSocketChannel channel) {  
17.         // 只对OP_ACCEPT事件感兴趣  
18.         super(null, channel, SelectionKey.OP_ACCEPT);  
19.         // 初始化连接对应的配置  
20.         config = new NioServerSocketChannelConfig(this, javaChannel().socket());  
21.     }  
22.      
23.     protected AbstractNioChannel(Channel parent, SelectableChannel ch, int readInterestOp) {  
24.         super(parent);  
25.         this.ch = ch;  
26.         this.readInterestOp = readInterestOp;  
27.         try {  
28.             // 将ServerSocketChannel设置为非阻塞模式  
29.             ch.configureBlocking(false);  
30.         } catch (IOException e) {  
31.             try {  
32.                 ch.close();  
33.             } catch (IOException e2) {  
34.                 if (logger.isWarnEnabled()) {  
35.                     logger.warn(  
36.                             "Failed to close a partially initialized socket.", e2);  
37.                 }  
38.             }  
39.   
40.             throw new ChannelException("Failed to enter non-blocking mode.", e);  
41.         }  
42.     }  
43.   
44.     protected AbstractChannel(Channel parent) {  
45.         this.parent = parent;  
46.         // 非配id,该id全局唯一  
47.         id = DefaultChannelId.newInstance();  
48.         // 初始化Unsafe, Server生成的Unsafe类为NioMessageUnsafe，Unsafe属于较底层的操作，不对应用开放  
49.         // 它处理的各种操作：register、bind、connect、disconnect、close、deregister，beginRead、write、flush  
50.         unsafe = newUnsafe();  
51.         // 创建pipeline  
52.         pipeline = new DefaultChannelPipeline(this);  
53.     }  

       完成后调用init进行对该ServerSocketChannel进行其他部分的初始化，init方法主要是：1、设置option；2、设置attr；3、如果设置了handler，将handler加入到处理链中（本例中加入LoggingHandler）。最后会加入一个ChannelInitializer，该ChannelInitializer主要功能是获取客户端连接后对连接进行初始化（具体如何初始化稍后再讲）。从下面代码可以看到，所有option/childOption之类的字段最终都会生成一份copy的数据，也就是该引导类可以继续使用（但是不能多个线程同时调用），用于引导其他端口的启动。

[java]  view plain  copy

1. void init(Channel channel) throws Exception {  
2.     final Map<ChannelOption<?>, Object> options = options();  
3.     synchronized (options) {  
4.         channel.config().setOptions(options);  
5.     }  
6.   
7.     final Map<AttributeKey<?>, Object> attrs = attrs();  
8.     synchronized (attrs) {  
9.         for (Entry<AttributeKey<?>, Object> e: attrs.entrySet()) {  
10.             @SuppressWarnings("unchecked")  
11.             AttributeKey<Object> key = (AttributeKey<Object>) e.getKey();  
12.             channel.attr(key).set(e.getValue());  
13.         }  
14.     }  
15.   
16.     ChannelPipeline p = channel.pipeline();  
17.     if (handler() != null) {  
18.         p.addLast(handler());  
19.     }  
20.   
21.     final EventLoopGroup currentChildGroup = childGroup;  
22.     final ChannelHandler currentChildHandler = childHandler;  
23.     final Entry<ChannelOption<?>, Object>[] currentChildOptions;  
24.     final Entry<AttributeKey<?>, Object>[] currentChildAttrs;  
25.     synchronized (childOptions) {  
26.         currentChildOptions = childOptions.entrySet().toArray(newOptionArray(childOptions.size()));  
27.     }  
28.     synchronized (childAttrs) {  
29.         currentChildAttrs = childAttrs.entrySet().toArray(newAttrArray(childAttrs.size()));  
30.     }  
31.   
32.     p.addLast(new ChannelInitializer<Channel>() {  
33.         @Override  
34.         public void initChannel(Channel ch) throws Exception {  
35.             // 这里的ServerBootstrapAcceptor比较重要先记住  
36.             ch.pipeline().addLast(new ServerBootstrapAcceptor(  
37.                     currentChildGroup, currentChildHandler, currentChildOptions, currentChildAttrs));  
38.         }  
39.     });  
40. }  

       初始化完成后立即将ServerChannel注册到bossGroup中，注册的时候会进行哪些操作呢？如果你还记得之前的EventLoop源码分析，就是这一句了：channel.unsafe().register(this, promise);  这行代码最终会调用AbstractChannel.AbstractUnsafe.register(EventLoop eventLoop, final ChannelPromise promise)
方法：

[java]  view plain  copy

1. public final void register(EventLoop eventLoop, final ChannelPromise promise) {  
2.     ...去掉非主要代码...  
3.   
4.     // channel的eventLoop被PausableChannelEventLoop包装，这样设置isAcceptingNewTasks=false时，新任务将被拒绝。这在关闭channel的时候非常有用  
5.     if (AbstractChannel.this.eventLoop == null) {  
6.         AbstractChannel.this.eventLoop = new PausableChannelEventLoop(eventLoop);  
7.     } else {  
8.         AbstractChannel.this.eventLoop.unwrapped = eventLoop;  
9.     }  
10.   
11.     if (eventLoop.inEventLoop()) {  
12.         register0(promise);  
13.     } else {  
14.         try {  
15.             eventLoop.execute(new OneTimeTask() {  
16.                 @Override  
17.                 public void run() {  
18.                     register0(promise);  
19.                 }  
20.             });  
21.         } catch (Throwable t) {  
22.             logger.warn(  
23.                     "Force-closing a channel whose registration task was not accepted by an event loop: {}",  
24.                     AbstractChannel.this, t);  
25.             closeForcibly();  
26.             closeFuture.setClosed();  
27.             safeSetFailure(promise, t);  
28.         }  
29.     }  
30. }  

        上面的代码最重要的部分就是PausableChannelEventLoop的封装，接下来调用register0。

[java]  view plain  copy

1. private void register0(ChannelPromise promise) {  
2.     try {  
3.         // check if the channel is still open as it could be closed in the mean time when the register  
4.         // call was outside of the eventLoop  
5.         if (!promise.setUncancellable() || !ensureOpen(promise)) {  
6.             return;  
7.         }  
8.         boolean firstRegistration = neverRegistered;  
9.         // 真正的注册方法  
10.         doRegister();  
11.         neverRegistered = false;  
12.         registered = true;  
13.         // 注册完成以后开启接受任务的开关  
14.         eventLoop.acceptNewTasks();  
15.         safeSetSuccess(promise);  
16.         // 触发channelRegistered事件  
17.         pipeline.fireChannelRegistered();  
18.         // 只有从未注册的channel才会触发channelActive，避免连接注销并重新注册时多次触发channelActive。  
19.         // 注意后面还会出现fireChannelActive方法的调用，正常的第一次启动应该是触发后面那个fireChannelActive而不是这个  
20.         if (firstRegistration && isActive()) {  
21.             pipeline.fireChannelActive();  
22.         }  
23.     } catch (Throwable t) {  
24.         // Close the channel directly to avoid FD leak.  
25.         closeForcibly();  
26.         closeFuture.setClosed();  
27.         safeSetFailure(promise, t);  
28.     }  
29. }  

        doRegister方法将调用sun.nio.ch.ServerSocketChannelImpl.register方法，该方法将ServerSocketChannel注册到Selector上，因为传入的ops=0,此时并不会有连接进来（到目前为止都还没有与实际的端口进行绑定）。

[java]  view plain  copy

1. protected void doRegister() throws Exception {  
2.     boolean selected = false;  
3.     for (;;) {  
4.         try {  
5.             selectionKey = javaChannel().register(((NioEventLoop) eventLoop().unwrap()).selector, 0, this);  
6.             return;  
7.         } catch (CancelledKeyException e) {  
8.             if (!selected) {  
9.                 // 如果发送异常则强制执行Selector.selectNow()方法使 "canceled"的SelectionKey从Selector中移除  
10.                 ((NioEventLoop) eventLoop().unwrap()).selectNow();  
11.                 selected = true;  
12.             } else {  
13.                 //JDK bug ?  
14.                 throw e;  
15.             }  
16.         }  
17.     }  
18. }  

        注册完成后调用pipeline.fireChannelRegistered(); 该方法最终会是pipeline的处理链进行链式处理，在本例中他会触发两个操作：1、LogginHandler中的channelRegistered；2、在ServerBootstrap.init(Channel)方法中的代码：

[java]  view plain  copy

1. p.addLast(new ChannelInitializer<Channel>() {  
2.        @Override  
3.        public void initChannel(Channel ch) throws Exception {  
4.            // 触发这里执行  
5.            ch.pipeline().addLast(new ServerBootstrapAcceptor(  
6.                    currentChildGroup, currentChildHandler, currentChildOptions, currentChildAttrs));  
7.        }  
8.    });  

        ServerBootstrapAcceptor类主要作用是接收到客户端连接后，使用childOptions和childAttrs对连接初始化，然后将连接注册到childGroup中。ServerBootstrapAcceptor的channelRead方法如下：

[java]  view plain  copy

1. public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {  
2.         final Channel child = (Channel) msg;  
3.   
4.         child.pipeline().addLast(childHandler);  
5.   
6.         for (Entry<ChannelOption<?>, Object> e: childOptions) {  
7.             try {  
8.                 if (!child.config().setOption((ChannelOption<Object>) e.getKey(), e.getValue())) {  
9.                     logger.warn("Unknown channel option: " + e);  
10.                 }  
11.             } catch (Throwable t) {  
12.                 logger.warn("Failed to set a channel option: " + child, t);  
13.             }  
14.         }  
15.   
16.         for (Entry<AttributeKey<?>, Object> e: childAttrs) {  
17.             child.attr((AttributeKey<Object>) e.getKey()).set(e.getValue());  
18.         }  
19.   
20.         try {  
21.             childGroup.register(child).addListener(new ChannelFutureListener() {  
22.                 @Override  
23.                 public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {  
24.                     if (!future.isSuccess()) {  
25.                         forceClose(child, future.cause());  
26.                     }  
27.                 }  
28.             });  
29.         } catch (Throwable t) {  
30.             forceClose(child, t);  
31.         }  
32.     }  

        回到主流程，如果是第一次启动触发channelActive方法，本例中主要触发LoggerHandler.channelActive。调用完成后回到AbstractBootstrap.doBind0()方法：

[java]  view plain  copy

1. private static void doBind0(  
2.         final ChannelFuture regFuture, final Channel channel,  
3.         final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise) {  
4.     channel.eventLoop().execute(new Runnable() {  
5.         @Override  
6.         public void run() {  
7.             if (regFuture.isSuccess()) {  
8.                 channel.bind(localAddress, promise).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE_ON_FAILURE);  
9.             } else {  
10.                 promise.setFailure(regFuture.cause());  
11.             }  
12.         }  
13.     });  
14. }  

        doBind0最终调用channel.bind方法对执行端口进行监听。需要注意的是，为了保证线程安全，channel的所有方法都需要到EventLoop中执行。channel.bind最终调用AbstractChannel.AbstractUnsafe.bind(final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise):

[java]  view plain  copy

1.         public final void bind(final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise) {  
2.             // ---这里去掉了部分代码---  
3.   
4.             boolean wasActive = isActive();  
5.             try {  
6.                 doBind(localAddress);  
7.             } catch (Throwable t) {  
8.                 safeSetFailure(promise, t);  
9.                 closeIfClosed();  
10.                 return;  
11.             }  
12.   
13.             if (!wasActive && isActive()) {  
14.                 // 增加一个任务，该任务触发pipeline.fireChannelActive方法, 该方法将最终触发channel.read()  
15.                 invokeLater(new OneTimeTask() {  
16.                     @Override  
17.                     public void run() {  
18.                         pipeline.fireChannelActive();  
19.                     }  
20.                 });  
21.             }  
22.   
23.             safeSetSuccess(promise);  
24.         }  
25.    
26.         // 最终调用socket的bind方式进行绑定，注意backlog在windows下默认为200，其他系统默认128  
27.         protected void doBind(SocketAddress localAddress) throws Exception {  
28.             javaChannel().socket().bind(localAddress, config.getBacklog());  
29.         }  
30.   
31.         // 上面的channel.read()最终会触发AbstractNioChannel.doBeginRead()方法  
32.         protected void doBeginRead() throws Exception {  
33.             // Channel.read() or ChannelHandlerContext.read() was called   
34.             if (inputShutdown) {              
35.                 return;  
36.             }  
37.   
38.             final SelectionKey selectionKey = this.selectionKey;  
39.   
40.             if (!selectionKey.isValid()) {  
41.                 return;  
42.             }  
43.   
44.             readPending = true;  
45.   
46.             // 注册readInterestOp,ServerSocket关注的op为OP_ACCEPT  
47.             final int interestOps = selectionKey.interestOps();  
48.             if ((interestOps & readInterestOp) == 0) {  
49.                 selectionKey.interestOps(interestOps | readInterestOp);  
50.             }  
51.   
52.         }  

        到这里启动的步骤已经完成，我们再来回顾一下整个启动过程：

        1、应用设置启动所需的各个参数

        2、应用调用bind(port)启动监听，bind过程如下

        3、验证启动参数设置是否正确，调用doBind

        4、doBind创建NioServerSocketChannel,并对其进行初始化，包括创建一个实际的ServerSocket，设置其为非阻塞模式，创建底层处理实例NioMessageUnsafe，创建pipeline

        5、pipeline中加入一个ChannelInitializer，该ChannelInitializer往pipleline中加入ServerBootstrapAcceptor用于接收客户连接后设置其初始化参数，然后注册到childGroup处理

        6、将NioServerSocketChannel注册到bossGroup，此时bossGroup被激活开始接收任务及IO事件。

        7、往EventLoop中添加一个任务，该任务的内容为将之前创建的ServerSocket绑定到指定端口。

        8、绑定端口后增加一个任务，该任务内容为注册NioServerSocketChannel关注的事件OP_ACCEPT到SelectKey中。到此，服务端可以接收到来自客户端的请求。

        到此，ServerBootstrap的启动过程结束，服务端可以接收到客户端的连接请求。这里还有很多概念比较模糊，pipeline.addLast进行了什么操作，pipeline.channelXXX(如channelActive)是如何最终调用到channel的对应方法的。解开了这个问题，才能往下分析NioServerSocketChannel的请求接收、分发流程。ok, 下一篇文章就是对ChannelPipeline进行分析！

来一张图解解馋，netty本身还是很复杂的，该图进行了简化。