本篇文章主要详细分析Netty中的核心组件。

启动器Bootstrap和ServerBootstrap作为Netty构建客户端和服务端的路口，是编写Netty网络程序的第一步。它可以让我们把Netty的核心组件像搭积木一样组装在一起。在Netty Server端构建的过程中，我们需要关注三个重要的步骤

• 配置线程池
• Channel初始化
• Handler处理器构建

调度器详解

前面我们讲过NIO多路复用的设计模式之Reactor模型，Reactor模型的主要思想就是把网络连接、事件分发、任务处理的职责进行分离，并且通过引入多线程来提高Reactor模型中的吞吐量。其中包括三种Reactor模型

• 单线程单Reactor模型
• 多线程单Reactor模型
• 多线程多Reactor模型

在Netty中，可以非常轻松的实现上述三种线程模型，并且Netty推荐使用主从多线程模型，这样就可以轻松的实现成千上万的客户端连接的处理。在海量的客户端并发请求中，主从多线程模型可以通过增加SubReactor线程数量，充分利用多核能力提升系统吞吐量。

Reactor模型的运行机制分为四个步骤，如图2-10所示。

• 连接注册，Channel建立后，注册到Reactor线程中的Selector选择器
• 事件轮询，轮询Selector选择器中已经注册的所有Channel的I/O事件
• 事件分发，为准备就绪的I/O事件分配相应的处理线程
• 任务处理，Reactor线程还负责任务队列中的非I/O任务，每个Worker线程从各自维护的任务队列中取出任务异步执行。

图2-10 Reactor工作流程

EventLoop事件循环

在Netty中，Reactor模型的事件处理器是使用EventLoop来实现的，一个EventLoop对应一个线程，EventLoop内部维护了一个Selector和taskQueue，分别用来处理网络IO事件以及内部任务，它的工作原理如图2-11所示。

图2-11 NioEventLoop原理

EventLoop基本应用

下面这段代码表示EventLoop，分别实现Selector注册以及普通任务提交功能。

public class EventLoopExample {

    public static void main(String[] args) {
        EventLoopGroup group=new NioEventLoopGroup(2);
        System.out.println(group.next()); //输出第一个NioEventLoop
        System.out.println(group.next()); //输出第二个NioEventLoop
        System.out.println(group.next()); //由于只有两个，所以又会从第一个开始
        //获取一个事件循环对象NioEventLoop
        group.next().register(); //注册到selector上
        group.next().submit(()->{
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-----");
        });
    }
}

EventLoop的核心流程

基于上述的讲解，理解了EventLoop的工作机制后，我们再通过一个整体的流程图来说明，如图2-12所示。

EventLoop是一个Reactor模型的事件处理器，一个EventLoop对应一个线程，其内部会维护一个selector和taskQueue，负责处理IO事件和内部任务。IO事件和内部任务执行时间百分比通过ioRatio来调节，ioRatio表示执行IO时间所占百分比。任务包括普通任务和已经到时的延迟任务，延迟任务存放到一个优先级队列PriorityQueue中，执行任务前从PriorityQueue读取所有到时的task，然后添加到taskQueue中，最后统一执行task。

图2-12 EventLoop工作机制

EventLoop如何实现多种Reactor模型

• 单线程模式

EventLoopGroup group=new NioEventLoopGroup(1);
ServerBootstrap b=new ServerBootstrap();
b.group(group);

• 多线程模式

EventLoopGroup group =new NioEventLoopGroup(); //默认会设置cpu核心数的2倍
ServerBootstrap b=new ServerBootstrap();
b.group(group);

• 多线程主从模式

EventLoopGroup boss=new NioEventLoopGroup(1);
EventLoopGroup work=new NioEventLoopGroup();
ServerBootstrap b=new ServerBootstrap();
b.group(boss,work);

EventLoop实现原理

• EventLoopGroup初始化方法，在MultithreadEventExecutorGroup.java中，根据配置的nThreads数量，构建一个EventExecutor数组

protected MultithreadEventExecutorGroup(int nThreads, Executor executor,
                                        EventExecutorChooserFactory chooserFactory, Object... args) {
    checkPositive(nThreads, "nThreads");

    if (executor == null) {
        executor = new ThreadPerTaskExecutor(newDefaultThreadFactory());
    }

    children = new EventExecutor[nThreads];

    for (int i = 0; i < nThreads; i ++) {
        boolean success = false;
        try {
            children[i] = newChild(executor, args);
        }
    }
}

• 注册channel到多路复用器的实现，MultithreadEventLoopGroup.register方法（）

SingleThreadEventLoop ->AbstractUnsafe.register ->AbstractChannel.register0->AbstractNioChannel.doRegister()

可以看到会把channel注册到某一个eventLoop中的unwrappedSelector复路器中。

protected void doRegister() throws Exception {
        boolean selected = false;
        for (;;) {
            try {
                selectionKey = javaChannel().register(eventLoop().unwrappedSelector(), 0, this);
                return;
            }
        }
}

• 事件处理过程，通过NioEventLoop中的run方法不断遍历

protected void run() {
    int selectCnt = 0;
    for (;;) {
        try {
            int strategy;
            try {
                //计算策略，根据阻塞队列中是否含有任务来决定当前的处理方式
                strategy = selectStrategy.calculateStrategy(selectNowSupplier, hasTasks());
                switch (strategy) {
                    case SelectStrategy.CONTINUE:
                        continue;
                    case SelectStrategy.BUSY_WAIT:
                        // fall-through to SELECT since the busy-wait is not supported with NIO
                    case SelectStrategy.SELECT:
                        long curDeadlineNanos = nextScheduledTaskDeadlineNanos();
                        if (curDeadlineNanos == -1L) {
                            curDeadlineNanos = NONE; // nothing on the calendar
                        }
                        nextWakeupNanos.set(curDeadlineNanos);
                        try {
                            if (!hasTasks()) { //如果队列中数据为空，则调用select查询就绪事件
                                strategy = select(curDeadlineNanos);
                            }
                        } finally {
                            nextWakeupNanos.lazySet(AWAKE);
                        }
                    default:
                }
            }
            selectCnt++;
            cancelledKeys = 0;
            needsToSelectAgain = false;
               /* ioRatio调节连接事件和内部任务执行事件百分比
                * ioRatio越大，连接事件处理占用百分比越大 */
            final int ioRatio = this.ioRatio;
            boolean ranTasks;
            if (ioRatio == 100) {
                try {
                    if (strategy > 0) { //处理IO时间
                        processSelectedKeys();
                    }
                } finally {
                    //确保每次都要执行队列中的任务
                    ranTasks = runAllTasks();
                }
            } else if (strategy > 0) {
                final long ioStartTime = System.nanoTime();
                try {
                    processSelectedKeys();
                } finally {
                    // Ensure we always run tasks.
                    final long ioTime = System.nanoTime() - ioStartTime;
                    ranTasks = runAllTasks(ioTime * (100 - ioRatio) / ioRatio);
                }
            } else {
                ranTasks = runAllTasks(0); // This will run the minimum number of tasks
            }
            if (ranTasks || strategy > 0) {
                if (selectCnt > MIN_PREMATURE_SELECTOR_RETURNS && logger.isDebugEnabled()) {
                    logger.debug("Selector.select() returned prematurely {} times in a row for Selector {}.",
                                 selectCnt - 1, selector);
                }
                selectCnt = 0;
            } else if (unexpectedSelectorWakeup(selectCnt)) { // Unexpected wakeup (unusual case)
                selectCnt = 0;
            }
        }
}

服务编排层Pipeline的协调处理

通过EventLoop可以实现任务的调度，负责监听I/O事件、信号事件等，当收到相关事件后，需要有人来响应这些事件和数据，而这些事件是通过ChannelPipeline中所定义的ChannelHandler完成的，他们是Netty中服务编排层的核心组件。

在下面这段代码中，我们增加了h1和h2两个InboundHandler，用来处理客户端数据的读取操作，代码如下。

ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
bootstrap.group(bossGroup, workerGroup)
    //配置Server的通道，相当于NIO中的ServerSocketChannel
    .channel(NioServerSocketChannel.class)
    //childHandler表示给worker那些线程配置了一个处理器，
    // 这个就是上面NIO中说的，把处理业务的具体逻辑抽象出来，放到Handler里面
    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
        @Override
        protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
            //                            socketChannel.pipeline().addLast(new NormalMessageHandler());
            socketChannel.pipeline().addLast("h1",new ChannelInboundHandlerAdapter(){
                @Override
                public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
                    System.out.println("handler-01");
                    super.channelRead(ctx, msg);
                }
            }).addLast("h2",new ChannelInboundHandlerAdapter(){
                @Override
                public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
                    System.out.println("handler-02");
                    super.channelRead(ctx, msg);
                }
            });
        }
    });

上述代码构建了一个ChannelPipeline，得到如图2-13所示的结构，每个Channel都会绑定一个ChannelPipeline，一个ChannelPipeline包含多个ChannelHandler，这些Handler会被包装成ChannelHandlerContext加入到Pipeline构建的双向链表中。

ChannelHandlerContext用来保存ChannelHandler的上下文，它包含了ChannelHandler生命周期中的所有事件，比如connect/bind/read/write等，这样设计的好处是，各个ChannelHandler进行数据传递时，前置和后置的通用逻辑就可以直接保存到ChannelHandlerContext中进行传递。

图2-13

出站和入站操作

根据网络数据的流向，ChannelPipeline分为入站ChannelInBoundHandler和出站ChannelOutboundHandler两个处理器，如图2-14所示，客户端与服务端通信过程中，数据从客户端发向服务端的过程叫出站，对于服务端来说，数据从客户端流入到服务端，这个时候是入站。

图2-14 InBound和OutBound的关系

ChannelHandler事件触发机制

当某个Channel触发了IO事件后，会通过Handler进行处理，而ChannelHandler是围绕I/O事件的生命周期来设计的，比如建立连接、读数据、写数据、连接销毁等。

ChannelHandler有两个重要的子接口实现，分别拦截数据流入和数据流出的I/O事件

• ChannelInboundHandler
• ChannelOutboundHandler

图2-15中显示的Adapter类，提供很多默认操作，比如ChannelHandler中有很多很多方法，我们用户自定义的方法有时候不需要重载全部，只需要重载一两个方法，那么可以使用Adapter类，它里面有很多默认的方法。其它框架中结尾是Adapter的类的作用也大都是如此。所以我们在使用netty的时候，往往很少直接实现ChannelHandler的接口，经常是继承Adapter类。

图2-15 ChannelHandler类关系图

ChannelInboundHandler事件回调和触发时机如下

ChannelOutboundHandler时间回调触发时机

事件传播机制演示

public class NormalOutBoundHandler extends ChannelOutboundHandlerAdapter {
    private final String name;

    public NormalOutBoundHandler(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void write(ChannelHandlerContext ctx, Object msg, ChannelPromise promise) throws Exception {
        System.out.println("OutBoundHandler:"+name);
        super.write(ctx, msg, promise);
    }
}

public class NormalInBoundHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    private final String name;
    private final boolean flush;

    public NormalInBoundHandler(String name, boolean flush) {
        this.name = name;
        this.flush = flush;
    }

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        System.out.println("InboundHandler:"+name);
        if(flush){
            ctx.channel().writeAndFlush(msg);
        }else {
            super.channelRead(ctx, msg);
        }
    }
}

ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
bootstrap.group(bossGroup, workerGroup)
    //配置Server的通道，相当于NIO中的ServerSocketChannel
    .channel(NioServerSocketChannel.class)
    //childHandler表示给worker那些线程配置了一个处理器，
    // 这个就是上面NIO中说的，把处理业务的具体逻辑抽象出来，放到Handler里面
    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
        @Override
        protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
            socketChannel.pipeline()
                .addLast(new NormalInBoundHandler("NormalInBoundA",false))
                .addLast(new NormalInBoundHandler("NormalInBoundB",false))
                .addLast(new NormalInBoundHandler("NormalInBoundC",true));
            socketChannel.pipeline()
                .addLast(new NormalOutBoundHandler("NormalOutBoundA"))
                .addLast(new NormalOutBoundHandler("NormalOutBoundB"))
                .addLast(new NormalOutBoundHandler("NormalOutBoundC"));
        }
    });

上述代码运行后会得到如下执行结果

InboundHandler:NormalInBoundA
InboundHandler:NormalInBoundB
InboundHandler:NormalInBoundC
OutBoundHandler:NormalOutBoundC
OutBoundHandler:NormalOutBoundB
OutBoundHandler:NormalOutBoundA

当客户端向服务端发送请求时，会触发服务端的NormalInBound调用链，按照排列顺序逐个调用Handler，当InBound处理完成后调用WriteAndFlush方法向客户端写回数据，此时会触发NormalOutBoundHandler调用链的write事件。

从执行结果来看，Inbound和Outbound的事件传播方向是不同的，Inbound传播方向是head->tail，Outbound传播方向是Tail-Head。

异常传播机制

ChannelPipeline时间传播机制是典型的责任链模式，那么有同学肯定会有疑问，如果这条链路中某个handler出现异常，那会导致什么问题呢？我们对前面的例子修改NormalInBoundHandler

public class NormalInBoundHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    private final String name;
    private final boolean flush;

    public NormalInBoundHandler(String name, boolean flush) {
        this.name = name;
        this.flush = flush;
    }

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        System.out.println("InboundHandler:"+name);
        if(flush){
            ctx.channel().writeAndFlush(msg);
        }else {
            //增加异常处理
            throw new RuntimeException("InBoundHandler:"+name);
        }
    }
}

这个时候一旦抛出异常，会导致整个请求链被中断，在ChannelHandler中提供了一个异常捕获方法，这个方法可以避免ChannelHandler链中某个Handler异常导致请求链路中断。它会把异常按照Handler链路的顺序从head节点传播到Tail节点。如果用户最终没有对异常进行处理，则最后由Tail节点进行统一处理

修改NormalInboundHandler，重写下面这个方法。

@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
    System.out.println("InboundHandlerException:"+name);
    super.exceptionCaught(ctx, cause);
}

在Netty应用开发中，好的异常处理非常重要能够让问题排查变得很轻松，所以我们可以通过一种统一拦截的方式来解决异常处理问题。

添加一个复合处理器实现类

public class ExceptionHandler extends ChannelDuplexHandler {

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        if(cause instanceof RuntimeException){
            System.out.println("处理业务异常");
        }
        super.exceptionCaught(ctx, cause);
    }
}

把新增的ExceptionHandler添加到ChannelPipeline中

bootstrap.group(bossGroup, workerGroup)
    //配置Server的通道，相当于NIO中的ServerSocketChannel
    .channel(NioServerSocketChannel.class)
    //childHandler表示给worker那些线程配置了一个处理器，
    // 这个就是上面NIO中说的，把处理业务的具体逻辑抽象出来，放到Handler里面
    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
        @Override
        protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
            socketChannel.pipeline()
                .addLast(new NormalInBoundHandler("NormalInBoundA",false))
                .addLast(new NormalInBoundHandler("NormalInBoundB",false))
                .addLast(new NormalInBoundHandler("NormalInBoundC",true));
            socketChannel.pipeline()
                .addLast(new NormalOutBoundHandler("NormalOutBoundA"))
                .addLast(new NormalOutBoundHandler("NormalOutBoundB"))
                .addLast(new NormalOutBoundHandler("NormalOutBoundC"))
                .addLast(new ExceptionHandler());
        }
    });

最终，我们就能够实现异常的统一处理。

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