Netty核心组件源码剖析 — Channel

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前言

上一小节我们梳理了NioEventLoop，通过梳理我们知道，NioEventLoop本质上就是封装的执行线程，线程通过NioEventLoopGroup构造创建。NioEventLoop通过select()方法监听selectKey触发对应连接，读/写事件。并在每次的循环中执行一定的任务队列中的任务。而每次事件的触发都是基于Channel实现的。这里的Channel不是NIO中的Channel，而是我们Netty中封装了NIO Channel实现的Channel。这一小节我们将深入理解Channel的一些功能原理和具体的一些实现细节。

介绍

Channel是Netty抽象出来的对网络I/O进行读写的相关接口，与NIO中的Channel接口类似。Channel的主要功能有网络I/O的读写、客户端发起连接、主动关闭连接、获取通信双方网络地址等。Channel接口下有一个重要的抽象类—AbstractChannel，一些公共的基础方法都在这个抽象类中实现，一些特定的功能可以通过各个不同的实现类去实现，最大限度的实现了接口的功能和接口的重用。

AbstractChannel融合了Netty的线程模型、事件驱动模型。但由于网络I/O模型及各种协议种类比较多，除了TCP协议，Netty还支持很多其他的连接协议，并且每种协议都有传统阻塞I/O和NIO（非阻塞IO）的版本区别。不同阻塞类型的连接有不同的Channel类型与之对应，因此AbstractChannel并没有直接与网络I/O相关的直接操作。每种阻塞与非阻塞Channel在AbstractChannel上都会继续抽象一层，如AbstractNioChannel，既是Netty重新封装的Epoll SockeChannel实现，也是其他非阻塞I/O Channel的抽象层。

AbstractChannel 源码分析

AbstractChannel 抽象类包括以下几个重要属性：

EventLoop：每个Channel对应一条EventLoop线程。

DefaultChannelPipeline：一个Handler的容器，也可以将其理解为一个Handler链。Handler主要处理数据的编/解码和业务逻辑。

Unsafe：实现具体的连接与读/写数据，如网络的读/写、链路关闭、发起连接等。命名为Unsafe表示不对外提供使用，并非不安全。

下图是AbstractChannel的功能图，从图中可以看出，Unsafe属性的功能非常全面，并且AbstractChannel中有一个Unsafe抽象类—AbstractUnsafe。

AbstractUnSafe的大部分方法都采用了模版设计模式，具体细节由其子类完成。例如bind()方法:

AbstractNioChannel源码剖析

AbstractNioChannel也是一个抽象类，不过他在AbstractChannel的基础上有封装了一层属性和方法，AbstractChannel没有涉及NIO的任何属性和具体方法，包括AbstractUnsafe。AbstractNioChannel有以下三个重要属性：

SelectableChannel是java.nio.SocketChannel和java.nio.ServerSocketChannel公共的抽象类，同时它也是Java NIO Channel的接口实现。

readInterestOp用于区分当前Channel监听的事件类型。

selectionKey它是将Channel注册到Selector上后的返回值。

从这些属性不难看出，在AbstractChannel中，已经将Netty的Channel和Java NIO的channel关联起来了。AbstractNioChannel的方法都很简洁，下面是一个很重要的方法doRegister()的源码剖析

doRegister()方法在AbstractUnsafe的register0()方法中被调用。

在AbstractNioChannel中有一个非常重要的子类—AbstractNioUnsafe，是AbstractUnsafe类的Nio实现，主要实现了connect()、flush0()等方法。它还实现了NioUnsafe接口，实现了其finishConnect()、forceFlush()、ch()等方法，其中，forceFlush()与flush0()最终调用的NioSocketChannel的doWrite()方法，来完成缓存数据写入Socket的工作。

connect() 和 finishConnect() 这两个方法只有在Netty客户端中才会用到。下面是对这两个方法的解析：

finishConnect()方法解读分析：

finishConnect() 只是在连接完成后调用，用于设置一些状态操作位置，并不是结束连接的字面意思。。不是关闭连接不是关闭连接的意思。

AbstractNioByteChannel源码剖析

AbstractNioChannel拥有NIO的Channel，具备NIO的注册、连接等功能。但IO的读写交给了其子类，Netty对IO的读写分配POJO对象与ByteBuf和FileRegion，因此在AbstractNioChannel的基础上继续抽象一层，分为AbstractNioMessageChannel与AbstractNioByteChannel。这一个部分我们详细深入AbstractNioByteChannel。它发送和读取的对象是ByteBuf与FileRegion类型。

首先flushTask为Task任务，主要负责刷新发送缓存链表中的数据，由于write()的数据没有直接写在Socket中，而是写在ChannelOutboundBuffer缓存中，所以当调用flush()方法的时，会把数据写入Socket中并向网络中发送。因此当缓存中的数据未发送完成时，需要将任务添加到EventLoop线程中，等待EventLoop线程的再次发送。

wirte 只是写入了缓存中，只有flush()才是写入了Socket发送。

doWrite()与doWriteInteral()方法在AbstractChannel的flush0()方法中被调用，主要功能是从ChannelOutboundBuffer缓存中获取待发送的数据，进行循环发送，发送的结果分为下面三种：

发送成功，跳出循环直接返回。

由于TCP缓存区已满，成功发送的字节数为0，跳出循环，并将写操作OP_WRITE事件添加到选择Key兴趣事件集中。

默认当写了16此数据还未发送完成时，把选择Key的OP_WRITE事件从兴趣事件集合中移除，并添加一个flushTask任务，先去执行其他任务，当监测到此任务时再发送。

NioByteUnsafe的read()方法的实现思路大致分为以下3步：

获取Channel的配置对象、内存分配器RecvByteBufAllocator.Handler。

进入for循环。循环体本身的作用：使用内存分配器获取数据容器ByteBuf，调用doReadBytes()方法将数据读取到容器中，如果本次循环没有读到数据或者数据链路已经关闭，则跳出循环。另外，当循环次数达到属性METADATA的defaultMaxMessagePerRead次数（默认为16次）时，也会跳出循环。由于TCP传输会产生粘包问题，因此每次读取都会触发channelRead事件，进而调用业务逻辑处理Handler。

跳出循环后，表示本次读取已经完成。调用allocHandler的readComplete()方法，并读取记录，用于下次分配合理内存。

AbstractNioMessageChannel 源码剖析

AbstractNioMessageChannel写入和读取的数据类型是Object，而不是字节流**。**在读数据时，AbstractNioMessageChannel数据不存在粘包问题，因此AbstractNioMessageChannnel在read()方法中先循环数据包，再触发channelRead事件。在写数据的时，AbstractNioMessageChannel数据逻辑简单。

它把缓存outboundBuffer中的数据包依此写入Channel中。如果Channel中写满了，或循环写、默认写的次数为子类Channel属性METADATA中的defaultMaxMessagesPerRead次数，则在Channel的SelectionKey上设置OP_WRITE事件，随后推出，其后OP_WRITE事件处理逻辑和Byte字节流写逻辑一样。read()和doWrite()方法代码解读如下：

NioSocketChannel 源码剖析

前面分析Channel都是抽象类，NioSocketChannel是AbstractNioByteChannel的子类，也是io.netty.channel.socket.SocketChannel的实现类。Netty服务的每个连接都会生成一个NioSocketChannel对象。NioSocketChannel在AbstractNioByteChannel的基础上封装了NIO中的SocketChannel，实现了IO的读写连接操作，其核心功能如下。

SocketChannel在NioSocketChannel构造方法中由SelectorProvider.provider().openSocketChannel()创建，提供javaChannel()方法以获取SocketChannel。

实现doReadByte()方法，从SocketChannel中读取数据。

重写doWrite()方法、实现doWriteBytes()方法，将数据写入Socket中。

实现doConnect()方法和客户端连接。

下图为NioSocketChannel 的核心功能脑图，注明了这些功能会在哪些地方会被调用，从图中可以看出，大部分方法都是被其辅助对象Unsafe调用。

I/O的读写的核心代码解读如下：

NioServerSocketChannel 源码剖析

NioServerSocektChannel是AbstractNioMessageChannel的子类，由于NioServerSocektChannel由服务端使用，并且只负责监听Socket的接入，不关心IO读写，所以与NioServerChannel相比要简单很多，它封装了NIO中的ServerSocketChannel，并通过newSocket()方法打开ServerSocketChannel。它的多路复用器注册与NioSocketChannel的多路复用注册一样，由父类AbstractNioChannel实现。

下面重点关注它是如何监听新加入的连接的（需要由doReadMessages()方法来完成）。具体代码解析如下：

鸟瞰Channel

我们梳理部分Channel的一些重要的实现类和一些重要的方法，我们很容易发现，Channel的主要方法都是围绕网络IO的读写，客户端发起连接、关闭连接等功能。AbstractChannel通过模版方法实现做一些基础的实现，子类通过继承的方式完成具体的实现，提高代码的复用率。

这几个实现类的特点：

AbstractChannel ：基础父类，没有直接参与网络直接有关操作，但是提供了部分模版方法。并且提供了Unsafe内部类。

AbstractNioChannel：每种IO类型都会在AbstractChannel上在进行一层封装，针对每种IO类型的特点进行封装，例如AbstractNioChannel中提供了三个重要属性：SelectableChannelNIO真正用到的Channel、readInterestOp监听感兴趣的事件，selectionKey注册到Selector后获取的Key。

AbstractNioByteChannel：它是AbstractNioChannel的子类，但是并不是最终的实现类。它具备NIO注册、连接等功能。IO读写会交给子类来处理，在NioByteChannel中发送和读写的对象类型是ByteBuf和FileRegion。

NioSocketChannel：AbstractNioByteChannel的子类，也是我们最常使用到的Channel实现类。Netty服务的每次连接都会生成一个NioSocketChannel对象。并在AbstractNioByteChannel的基础上实现了IO的读写连接功能。

AbstractNioMessageChannel：同样也是AbstractNioChannel的子类，和AbstractNioByteChannel类似，但是它读写的对象是Object对象。因此它不会存在粘包的问题。

NioServerSocketChannel：AbstractNioMessageChannel的子类，是一个仅仅只处理新连接的Channel，在doReadMessages的实现类中，也是关于新连接的处理。创建连接、读写方法都会进行异常处理。

其中有一个特殊的点抽象类中具体的连接与读写都是使用Unsafe实现的。同样的子类中也会对Unsafe接口继承或是实现。Unsafe表示不对外提供功能，并非不安全。

总结

这一小节我们简单梳理了Netty的Channel，我们不难发现，Channel完成了对NIO的Channel的实现与拓展。我们从AbstractChannel开始进行梳理，AbstractChannel 实现了Channel接口，提供了一些类的基础模版实现和一些Channel中的基础字段，例如标识Channel唯一的ChannelId、实现具体操作连接，数据读写的Unsafe、Channel容器Pipeline等。随后向下梳理了AbstractNioChannel的源码分析，AbstractNioChannel也是一个抽象类。这个抽象类是NioChannel的抽象类，这个类继承拓展了AbstractChannel。这个类正对NioChannel进行了拓展和补充。随后我们依据读取数据类型的不同，分析梳理了AbstractNioByteChannel 和AbstractNioMessageChannel。前者使用byteBuf读写的是二进制数据，因此存在粘包问题，后者读写Object数据，不存在粘包问题。这一层我们分析了他们读写方法，他们的读写方法在大体结构上是相似的，但是在读取具体数据的实现细节上又有不同。在往下一层就是我们最常使用到的NioSocketChannel 和NioServerSocketChannel，其中NioSocketChannel中对读写连接操作都有具体的实现，NioServerSocketChannel中则是抛出UnsupportedOperationException(); NioServerSocketChannel则会用来监听Socket接入的Accept连接操作。因此我们在日常Netty开发中，会使用NioServerSocketChannel通常配置处理连接的bossGroup使用，而NioSocketChannel则会在配置处理读写的workerGroup时使用。