QUESTION:
- 默认情况下Netty服务端起多少线程?何时启动?
- Netty如何解决JDK空轮训BUG?
- Netty如何保证异步串行无锁化?
(待完善)
NioEventLoopGroup创建
NioEventLoopGroup实例化过程.png
netty的程序的启动(在服务端一般是两个NioEventLoopGroup线程池,一个boss, 一个worker; 对于客户端一般是一个线程池)我们一般是使用NIO.boss用于接收客户端的TCP连接,work用于处理IO相关的读写操作或者执行系统Task,定时任务task.
（1）在NioEventLoopGroup构造器调用：
如果对于不指定线程数参数的构造器，默认设置为0(但是在后面的构造器中会判断，如果设置为0，就会初始化为2*CPU数量,对应问题一);
源码:
NioEventLoopGroup
public NioEventLoopGroup() {
this(0);
}
↓↓↓↓
public NioEventLoopGroup(int nThreads) {
this(nThreads, (Executor) null);
}
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设置了NioEventLoopGroup线程池中每个线程执行器默认是null(这里设置为null, 在后面的构造器中会判断，如果为null就实例化一个线程执行器)
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↓↓↓↓
public NioEventLoopGroup(int nThreads, Executor executor) {
this(nThreads, executor, SelectorProvider.provider());
}
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这里就存在于JDK的NIO的交互了，这里设置了线程池的SelectorProvider， 通过SelectorProvider.provider() 返回
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↓↓↓↓
public NioEventLoopGroup(int nThreads, Executor executor, final SelectorProvider selectorProvider) {
this(nThreads, executor, selectorProvider, DefaultSelectStrategyFactory.INSTANCE);
}
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在这个重载的构造器中传入了默认的选择策略工厂DefaultSelectStrategyFactory
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↓↓↓↓
public NioEventLoopGroup(int nThreads, Executor executor, final SelectorProvider selectorProvider,
final SelectStrategyFactory selectStrategyFactory) {
super(nThreads, executor, selectorProvider, selectStrategyFactory, RejectedExecutionHandlers.reject());
}
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调用父类MultithreadEventLoopGroup的构造器,添加了线程的拒绝执行策略
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MultithreadEventLoopGroup
private static final int DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS;
static {
DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS = Math.max(1, SystemPropertyUtil.getInt(
"io.netty.eventLoopThreads", NettyRuntime.availableProcessors() * 2));
......
}
protected MultithreadEventLoopGroup(int nThreads, ThreadFactory threadFactory, Object... args) {
super(nThreads == 0 ? DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS : nThreads, threadFactory, args);
}
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构造器被定义成protect，表示只能在NioEventLoopGroup中被调用，一定层度上的保护作用。这里就是对线程数进行了判断，当nThreads为0 的时候就设置成 DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS 这个常量。这个常量的定义如下：其实就是在MultithreadEventLoopGroup的静态代码段，其实就是将DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS赋值为CPU核心数*2
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↓↓↓↓
调用的基类MultithreadEventExecutorGroup的构造器
MultithreadEventExecutorGroup
protected MultithreadEventExecutorGroup(int nThreads, Executor executor, Object... args) {
this(nThreads, executor, DefaultEventExecutorChooserFactory.INSTANCE, args);
}
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构造器里面多传入了一个参数 DefaultEventExecutorChooserFactory.INSTANCE ， 通过这个EventLoop选择器工厂可以实例化GenericEventExecutorChooser这个类， 这个类是EventLoopGroup线程池里面的EventLoop的选择器，调用GenericEventExecutorChooser.next() 方法可以从线程池中选择出一个合适的EventLoop线程
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↓↓↓↓
重载调用MultithreadEventExecutorGroup类的构造器
/**
* 最终的创建实例构造器
*
* @param nThreads 该实例将使用的线程数
* @param executor 将要使用的executor, 默认为null
* @param chooserFactory 将要使用的EventExecutorChooserFactory
* @param args arguments which will passed to each {@link #newChild(Executor, Object...)} call
*/
protected MultithreadEventExecutorGroup(int nThreads, Executor executor,
EventExecutorChooserFactory chooserFactory, Object... args) {
/** 1.初始化线程池 */
//参数校验nThread合法性，
if (nThreads <= 0) {
throw new IllegalArgumentException(String.format("nThreads: %d (expected: > 0)", nThreads));
}
//executor校验非空, 如果为空就创建ThreadPerTaskExecutor, 该类实现了 Executor接口
// 这个executor 是用来执行线程池中的所有的线程，也就是所有的NioEventLoop，其实从
//NioEventLoop构造器中也可以知道，NioEventLoop构造器中都传入了executor这个参数。
if (executor == null) {
executor = new ThreadPerTaskExecutor(newDefaultThreadFactory());
}
//这里的children数组， 其实就是线程池的核心实现，线程池中就是通过指定的线程数组来实现线程池；
//数组中每个元素其实就是一个EventLoop，EventLoop是EventExecutor的子接口。
children = new EventExecutor[nThreads];
//for循环实例化children数组，NioEventLoop对象
for (int i = 0; i < nThreads; i ++) {
boolean success = false;
try {
//newChild(executor, args) 函数在NioEventLoopGroup类中实现了,
// 实质就是就是存入了一个 NIOEventLoop类实例
children[i] = newChild(executor, args);
success = true;
} catch (Exception e) {
throw new IllegalStateException("failed to create a child event loop", e);
} finally {
//如果构造失败, 就清理资源
if (!success) {
for (int j = 0; j < i; j ++) {
children[j].shutdownGracefully();
}
for (int j = 0; j < i; j ++) {
EventExecutor e = children[j];
try {
while (!e.isTerminated()) {
e.awaitTermination(Integer.MAX_VALUE, TimeUnit.SECONDS);
}
} catch (InterruptedException interrupted) {
Thread.currentThread().interrupt();
break;
}
}
}
}
}//end foreach
/** 2.实例化线程工厂执行器选择器: 根据children获取选择器 */
chooser = chooserFactory.newChooser(children);
/** 3.为每个EventLoop线程添加 线程终止监听器*/
final FutureListener<Object> terminationListener = new FutureListener<Object>() {
@Override
public void operationComplete(Future<Object> future) throws Exception {
if (terminatedChildren.incrementAndGet() == children.length) {
terminationFuture.setSuccess(null);
}
}
};
for (EventExecutor e: children) {
e.terminationFuture().addListener(terminationListener);
}
/** 4. 将children 添加到对应的set集合中去重， 表示只可读。*/
Set<EventExecutor> childrenSet = new LinkedHashSet<EventExecutor>(children.length);
Collections.addAll(childrenSet, children);
readonlyChildren = Collections.unmodifiableSet(childrenSet);
}
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NioEventLoop 的继承链如下:
NioEventLoop -> SingleThreadEventLoop -> SingleThreadEventExecutor -> AbstractScheduledEventExecutor
在 AbstractScheduledEventExecutor 中, Netty 实现了 NioEventLoop 的 schedule 功能, 即我们可以通过调用一个 NioEventLoop 实例的 schedule()方法来运行一些定时任务. 而在 SingleThreadEventLoop 中, 又实现了任务队列的功能, 通过它, 我们可以调用一个 NioEventLoop 实例的 execute() 方法来向任务队列中添加一个 task, 并由 NioEventLoop 进行调度执行.
通常来说, NioEventLoop 肩负着两种任务,:
1）第一个是作为 IO 线程, 执行与 Channel 相关的 IO 操作, 包括 调用 select 等待就绪的 IO 事件、读写数据与数据的处理等;
2）而第二个任务是作为任务队列, 执行 taskQueue 中的任务, 例如用户调用 eventLoop.schedule 提交的定时任务也是这个线程执行的.
对于NioEventLoop的实例化，基本就是在NioEventLoopGroup.newChild() 中调用的
源码:
NioEventLoopGroup
protected EventLoop newChild(Executor executor, Object... args) throws Exception {
return new NioEventLoop(this, executor, (SelectorProvider) args[0]);
}
↓↓↓↓
new NioEventLoop()实例化
NioEventLoop
//Netty5 构造器为 NioEventLoop(NioEventLoopGroup parent, Executor executor, SelectorProvider selectorProvider)
NioEventLoop(NioEventLoopGroup parent, Executor executor, SelectorProvider selectorProvider,
SelectStrategy strategy, RejectedExecutionHandler rejectedExecutionHandler) {
//Netty 5 构造器
//super(parent, executor, false);
//调用父类构造器
super(parent, executor, false, DEFAULT_MAX_PENDING_TASKS, rejectedExecutionHandler);
if (selectorProvider == null) {
throw new NullPointerException("selectorProvider");
}
//Netty5 取消该处判断
if (strategy == null) {
throw new NullPointerException("selectStrategy");
}
provider = selectorProvider;
selector = openSelector();//new 一个selector实例， 具体的类与平台和底层有关
selectStrategy = strategy;//Netty5 取消该处
}
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构造器里面传入了 NioEventLoopGroup、Executor、SelectorProvider、SelectStrategyFactory、RejectedExecutionHandler。从这里可以看出，一个NioEventLoop属于某一个NioEventLoopGroup， 且处于同一个NioEventLoopGroup下的所有NioEventLoop 公用Executor、SelectorProvider、SelectStrategyFactory和RejectedExecutionHandler.
这里的SelectorProvider构造参数传入的是通过在NioEventLoopGroup里面的构造器里面的SelectorProvider.provider()方式获取的， 而这个方法返回的是一个单例的SelectorProvider， 所以所有的NioEventLoop公用同一个单例SelectorProvider
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↓↓↓↓
SingleThreadEventLoop构造器
SingleThreadEventLoop
private final Queue<Runnable> tailTasks;// 尾部任务队列
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队列的数量maxPendingTasks参数默认是SingleThreadEventLoop.DEFAULT_MAX_PENDING_TASK，其实就是Integer.MAX_VALUE; 对于new的这个队列， 其实就是一个LinkedBlockingQueue 无界队列
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protected SingleThreadEventLoop(EventLoopGroup parent, Executor executor,
boolean addTaskWakesUp, int maxPendingTasks,
RejectedExecutionHandler rejectedExecutionHandler) {
//父类构造器
super(parent, executor, addTaskWakesUp, maxPendingTasks, rejectedExecutionHandler);
tailTasks = newTaskQueue(maxPendingTasks);//实例化了 tailTasks 这个变量
}
↓↓↓↓
SingleThreadEventExecutor构造器
SingleThreadEventExecutor
protected SingleThreadEventExecutor(EventExecutorGroup parent, Executor executor,
boolean addTaskWakesUp, int maxPendingTasks,
RejectedExecutionHandler rejectedHandler) {
super(parent);// 设置EventLoop所属于的EventLoopGroup
this.addTaskWakesUp = addTaskWakesUp;
this.maxPendingTasks = Math.max(16, maxPendingTasks);//默认是Integer.MAX_VALUE
this.executor = ObjectUtil.checkNotNull(executor, "executor");
taskQueue = newTaskQueue(this.maxPendingTasks);//创建EventLoop的任务队列, 默认是 LinkedBlockingQueue
rejectedExecutionHandler = ObjectUtil.checkNotNull(rejectedHandler, "rejectedHandler");
}
EventLoop是什么时候启动?
NioEventLoop 本身就是一个 SingleThreadEventExecutor, 因此 NioEventLoop 的启动, 其实就是 NioEventLoop 所绑定的本地 Java 线程的启动。在NioEventLoop的构造器初始化分析过程中,直到SingleThreadEventExecutor传入了一个线程执行器 Executor,线程的启动就是通过这个线程执行器启动的.
在SingleThreadEventExecutor类中，有一个非常重要的属性 thread，这个线程也就是与NioEventLoop 所绑定的本地 Java 线程. thread 变量，发现在 doStartThread() 函数中,thread = Thread.currentThread();而且这行代码在
executor.execute(new Runnable() {}).在executor执行的一个线程里面， 含义也就是当executor 第一次执行提交的任务创建的线程 赋值给 thread对象。由此可见，thread的启动其实也就是在这里,分析 doStartThread() 函数 的父调用关系，最顶层的调用就是 SingleThreadEventExecutor.execute(Runnable task).也就是说哪里第一次调用了execute()函数，也就是启动了该NioEventLoop.
private void doStartThread() {
assert thread == null;
executor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
thread = Thread.currentThread();
if (interrupted) {
thread.interrupt();
}
boolean success = false;
updateLastExecutionTime();
try {
SingleThreadEventExecutor.this.run();//此处开始NioEventLoop
success = true;
} catch (Throwable t) {
logger.warn("Unexpected exception from an event executor: ", t);
} finally {
//略
}
}
});
}
当调用了 AbstractChannel#AbstractUnsafe.register 后, 就完成了 Channel 和 EventLoop 的关联. register 实现如下:
AbstractChannel.AbstractUnsafe
@Override
public final void register(EventLoop eventLoop, final ChannelPromise promise) {
// 删除条件检查.
...
AbstractChannel.this.eventLoop = eventLoop;
if (eventLoop.inEventLoop()) {
register0(promise);
} else {
try {
eventLoop.execute(new OneTimeTask() {
@Override
public void run() {
register0(promise);
}
});
} catch (Throwable t) {
...
}
}
}
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在 AbstractChannel#AbstractUnsafe.register 中, 会将一个 EventLoop 赋值给 AbstractChannel 内部的 eventLoop 字段, 到这里就完成了 EventLoop 与 Channel 的关联过程.
一路从 Bootstrap.bind 方法跟踪到 AbstractChannel#AbstractUnsafe.register 方法, 整个代码都是在主线程中运行的, 因此上面的 eventLoop.inEventLoop() 就为 false, 于是进入到 else 分支, 在这个分支中调用了 eventLoop.execute. eventLoop 是一个 NioEventLoop 的实例, 而 NioEventLoop 没有实现 execute 方法, 因此调用的是 SingleThreadEventExecutor.execute()方法
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SingleThreadEventExecutor
@Override
public void execute(Runnable task) {
if (task == null) {
throw new NullPointerException("task");
}
boolean inEventLoop = inEventLoop();
addTask(task);
if (!inEventLoop) {
startThread();
if (isShutdown() && removeTask(task)) {
reject();
}
}
if (!addTaskWakesUp && wakesUpForTask(task)) {
wakeup(inEventLoop);
}
}
当 EventLoop.execute 第一次被调用时, 就会触发 startThread() 的调用, 进而导致了 EventLoop 所对应的 Java 线程的启动
NioEventLoop 启动之后是怎么实现事件循环的？
SingleThreadEventExecutor
private void startThread() {
if (STATE_UPDATER.get(this) == ST_NOT_STARTED) {
//设置thread 的状态 this.state是 ST_STARTED 已启动
if (STATE_UPDATER.compareAndSet(this, ST_NOT_STARTED, ST_STARTED)) {
//真正启动线程的函数, 其作用类似于 thread.start()
doStartThread();
}
}
}
↓↓↓↓
private void doStartThread() {
//启动线程之前，必须保证thread 是null，其实也就是thread还没有启动。
assert thread == null;
/** 通过executor启动一个新的task, 在task里面启动this.thread线程。*/
executor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 1. 将当前thread 赋值给 this.thread 也就是将启动的线程赋值给本地绑定线程thread
thread = Thread.currentThread();
// 2. 实际上是调用NioEventLoop.run() 方法实现 事件循环机制
try {
SingleThreadEventExecutor.this.run();//最核心所在，调用run()方法
success = true;
} catch (Throwable t) {//........
} finally {
//确保事件循环结束之后，关闭线程，清理资源。
//...........
}
}//end run()
});// end run() 这个task
}// end doStartThread method
↓↓↓↓
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SingleThreadEventExecutor.this.run(); 这是一个抽象函数
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protected void run() {
/** 死循环：NioEventLoop 事件循环的核心就是这里! */
for (;;) {
try {
// 1.通过 select/selectNow 调用查询当前是否有就绪的 IO 事件
// 当 selectStrategy.calculateStrategy() 返回的是 CONTINUE, 就结束此轮循环,进入下一轮循环;
// 当返回的是 SELECT, 就表示任务队列为空,就调用select(Boolean);
switch (selectStrategy.calculateStrategy(selectNowSupplier, hasTasks())) {
case SelectStrategy.CONTINUE:
continue;
case SelectStrategy.SELECT:
select(wakenUp.getAndSet(false));
if (wakenUp.get()) {
selector.wakeup();
}
default:
// fallthrough
}// end switch
//2. 当有IO事件就绪时, 就会处理这些IO事件
cancelledKeys = 0;
needsToSelectAgain = false;
//ioRatio表示:此线程分配给IO操作所占的时间比(即运行processSelectedKeys耗时在整个循环中所占用的时间).
final int ioRatio = this.ioRatio;
if (ioRatio == 100) {
try {
//查询就绪的 IO 事件, 然后处理它;
processSelectedKeys();
} finally {
//运行 taskQueue 中的任务.
runAllTasks();
}
} else {
final long ioStartTime = System.nanoTime();
try {
//查询就绪的 IO 事件, 然后处理它;
processSelectedKeys();
} finally {
// Ensure we always run tasks.
final long ioTime = System.nanoTime() - ioStartTime;
runAllTasks(ioTime * (100 - ioRatio) / ioRatio);
}
}
} catch (Throwable t) {
handleLoopException(t);
}
//
}
} //end of run()函数
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死循环 for(;;) 就是NioEventLoop事件循环执行机制。死循环中的业务简单点就是：
（1）通过调用 select/selectNow 函数，等待 IO 事件；
（2）当有IO事件就绪时, 获取事件类型，分别处理这些IO事件，处理IO事件函数调用就是 processSelectedKeys();
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IO事件轮询
在 run() 方法中, 第一步是调用 hasTasks() 方法来判断当前任务队列中是否有任务:
protected boolean hasTasks() {
assert inEventLoop();
return !taskQueue.isEmpty();
}
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仅仅是检查了一下 taskQueue 是否为空. 至于 taskQueue 是什么呢, 其实它就是存放一系列的需要由此 EventLoop 所执行的任务列表.
1）当 taskQueue 不为空时, hasTasks() 就会返回TRUE，那么selectStrategy.calculateStrategy() 的实现里面就会执行selectSupplier.get() 而get()方法里面会调用 selectNow(); 执行立即返回当前就绪的IO事件的个数，如果存在IO事件，那么在switch 语句中就会直接执行 default， 直接跳出switch语句，如果不存在，就是返回0， 对应于continue，忽略此次循环。
2）当taskQueue为空时，就会selectStrategy.calculateStrategy() 就会返回SelectStrategy.SELECT， 对用于switch case语句就是执行select()函数，阻塞等待IO事件就绪。
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IO事件处理
NioEventLoop.run() 方法中, 第一步是通过 select/selectNow 调用查询当前是否有就绪的 IO 事件. 那么当有 IO 事件就绪时, 第二步自然就是处理这些 IO 事件啦. NioEventLoop.run 中循环的剩余部分(核心部分):
final int ioRatio = this.ioRatio;
if (ioRatio == 100) {
processSelectedKeys();
runAllTasks();
} else {
final long ioStartTime = System.nanoTime();
processSelectedKeys();
final long ioTime = System.nanoTime() - ioStartTime;
runAllTasks(ioTime * (100 - ioRatio) / ioRatio);
}
---------
有两个关键的调用, 第一个是 processSelectedKeys() 调用, 根据字面意思, 可以猜出这个方法肯定是查询就绪的 IO 事件, 然后处理它; 第二个调用是 runAllTasks(), 来它的功能就是运行 taskQueue 中的任务.
什么是 ioRatio呢? 它表示的是此线程分配给 IO 操作所占的时间比(即运行 processSelectedKeys 耗时在整个循环中所占用的时间). 例如 ioRatio 默认是 50, 则表示 IO 操作和执行 task 的所占用的线程执行时间比是 1 : 1. 当知道了 IO 操作耗时和它所占用的时间比, 那么执行 task 的时间就可以很方便的计算出来了。
当设置 ioRate = 70 时, 则表示 IO 运行耗时占比为70%, 即假设某次循环一共耗时为 100ms, 那么根据公式, processSelectedKeys() 方法调用所耗时大概为70ms(即 IO 耗时), 而 runAllTasks() 耗时大概为 30ms(即执行 task 耗时).
当 ioRatio 为 100 时, Netty 就不考虑 IO 耗时的占比, 而是分别调用 processSelectedKeys()、runAllTasks(); 而当 ioRatio 不为 100时, 则执行到 else 分支, 在这个分支中, 首先记录下 processSelectedKeys() 所执行的时间(即 IO 操作的耗时), 然后根据公式, 计算出执行 task 所占用的时间, 然后以此为参数, 调用 runAllTasks().
---------
↓↓↓↓
private void processSelectedKeys() {
if (selectedKeys != null) {
processSelectedKeysOptimized();
} else {
processSelectedKeysPlain(selector.selectedKeys());
}
}
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这个方法中, 会根据 selectedKeys 字段是否为空, 而分别调用 processSelectedKeysOptimized 或 processSelectedKeysPlain. selectedKeys 字段是在调用 openSelector() 方法时, 根据 JVM 平台的不同, 而有设置不同的值, 这个值是不为 null 的.
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↓↓↓↓
private void processSelectedKeysOptimized() {
//1. 迭代 selectedKeys 获取就绪的 IO 事件, 然后为每个事件都调用 processSelectedKey 来处理它.
for (int i = 0; i < selectedKeys.size; ++i) {
final SelectionKey k = selectedKeys.keys[i];
selectedKeys.keys[i] = null;
final Object a = k.attachment();
if (a instanceof AbstractNioChannel) {
//2. 为事件调用processSelectedKey方法来处理 对应的事件
processSelectedKey(k, (AbstractNioChannel) a);
} else {
NioTask<SelectableChannel> task = (NioTask<SelectableChannel>) a;
processSelectedKey(k, task);
}
if (needsToSelectAgain) {
selectedKeys.reset(i + 1);
selectAgain();
i = -1;
}
}
}
--------
迭代 selectedKeys 获取就绪的 IO 事件, 然后为每个事件都调用 processSelectedKey 来处理它.可以调用 selectionKey.attach(object) 给一个 selectionKey 设置一个附加的字段, 然后可以通过 Object attachedObj = selectionKey.attachment() 获取它. 上面代代码正是通过了 k.attachment() 来获取一个附加在 selectionKey 中的对象, 那么这个对象是什么呢? 它又是在哪里设置的呢?
在客户端的 Channel 注册过程中, 会有如下调用链:
Bootstrap.initAndRegister ->
AbstractBootstrap.initAndRegister ->
MultithreadEventLoopGroup.register ->
SingleThreadEventLoop.register ->
AbstractUnsafe.register ->
AbstractUnsafe.register0 ->
AbstractNioChannel.doRegister
最后的 AbstractNioChannel.doRegister 方法会调用 SocketChannel.register 方法注册一个 SocketChannel 到指定的 Selector:
protected void doRegister() throws Exception {
// 省略错误处理
selectionKey = javaChannel().register(eventLoop().selector, 0, this);
}
register 的第三个参数, 这个参数是设置 selectionKey 的附加对象的, 和调用 selectionKey.attach(object) 的效果一样. 而调用 register 所传递的第三个参数是 this, 它其实就是一个 NioSocketChannel 的实例.
在将 SocketChannel 注册到 Selector 中时, 将 SocketChannel 所对应的 NioSocketChannel 以附加字段的方式添加到了selectionKey 中.
当我们获取到附加的对象后, 我们就调用 processSelectedKey 来处理这个 IO 事件:
final Object a = k.attachment();
if (a instanceof AbstractNioChannel) {
processSelectedKey(k, (AbstractNioChannel) a);
} else {
@SuppressWarnings("unchecked")
NioTask<SelectableChannel> task = (NioTask<SelectableChannel>) a;
processSelectedKey(k, task);
}
-------
↓↓↓↓
private void processSelectedKey(SelectionKey k, AbstractNioChannel ch) {
final AbstractNioChannel.NioUnsafe unsafe = ch.unsafe();
//......
//......
try {
int readyOps = k.readyOps();
// 连接事件
if ((readyOps & SelectionKey.OP_CONNECT) != 0) {
int ops = k.interestOps();
ops &= ~SelectionKey.OP_CONNECT;
k.interestOps(ops);
unsafe.finishConnect();
}
//可写事件
if ((readyOps & SelectionKey.OP_WRITE) != 0) {
// Call forceFlush which will also take care of clear the OP_WRITE once there is nothing left to write
ch.unsafe().forceFlush();
}
//可读事件
if ((readyOps & (SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_ACCEPT)) != 0 || readyOps == 0) {
// 这里就是核心中的核心了. 事件循环器读到了字节后, 就会将数据传递到pipeline
unsafe.read();
}
} catch (CancelledKeyException ignored) {
unsafe.close(unsafe.voidPromise());
}
}
------------
processSelectedKey 中处理了三个事件, 分别是:
OP_READ, 可读事件, 即 Channel 中收到了新数据可供上层读取.
OP_WRITE, 可写事件, 即上层可以向 Channel 写入数据.
OP_CONNECT, 连接建立事件, 即 TCP 连接已经建立, Channel 处于 active 状态.
------------
OP_READ 处理
当就绪的 IO 事件是 OP_READ, 代码会调用 unsafe.read() 方法, 即:
// 可读事件
if ((readyOps & (SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_ACCEPT)) != 0 || readyOps == 0) {
unsafe.read();
if (!ch.isOpen()) {
// Connection already closed - no need to handle write.
return;
}
}
---------
在它的父类 AbstractNioByteChannel 实现的
---------
↓↓↓↓
@Override
public final void read() {
...
ByteBuf byteBuf = null;
int messages = 0;
boolean close = false;
try {
int totalReadAmount = 0;
boolean readPendingReset = false;
do {
byteBuf = allocHandle.allocate(allocator);
int writable = byteBuf.writableBytes();
int localReadAmount = doReadBytes(byteBuf);
// 检查读取结果.
...
pipeline.fireChannelRead(byteBuf);
byteBuf = null;
...
totalReadAmount += localReadAmount;
// 检查是否是配置了自动读取, 如果不是, 则立即退出循环.
...
} while (++ messages < maxMessagesPerRead);
pipeline.fireChannelReadComplete();
allocHandle.record(totalReadAmount);
if (close) {
closeOnRead(pipeline);
close = false;
}
} catch (Throwable t) {
handleReadException(pipeline, byteBuf, t, close);
} finally {
}
}
---------
read 方法归纳起来, 可以认为做了如下工作:
分配 ByteBuf
从 SocketChannel 中读取数据;
调用 pipeline.fireChannelRead 发送一个inbound 事件. pipeline.fireChannelRead 正好就是 inbound 事件起点. 当调用了 pipeline.fireIN_EVT() 后, 那么就产生了一个 inbound 事件, 此事件会以 head -> customContext -> tail 的方向依次流经 ChannelPipeline 中的各个 handler.
---------
OP_CONNECT 处理,即 TCP 连接已建立事件.
if ((readyOps & SelectionKey.OP_CONNECT) != 0) {
// remove OP_CONNECT as otherwise Selector.select(..) will always return without blocking
// See https://github.com/netty/netty/issues/924
int ops = k.interestOps();
ops &= ~SelectionKey.OP_CONNECT;
k.interestOps(ops);
unsafe.finishConnect();
}
---------
归纳起来, 可以认为做了如下工作:
将 OP_CONNECT 从就绪事件集中清除, 不然会一直有 OP_CONNECT 事件.
调用 unsafe.finishConnect() 通知上层连接已建立.
unsafe.finishConnect() 调用最后会调用到 pipeline().fireChannelActive(), 产生一个 inbound 事件, 通知 pipeline 中的各个 handler TCP 通道已建立(即 ChannelInboundHandler.channelActive 方法会被调用)
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netty的任务队列机制
任务的添加
-
普通 Runnable 任务
NioEventLoop 继承于 SingleThreadEventExecutor, 而 SingleThreadEventExecutor 中有一个 Queue taskQueue 字段, 用于存放添加的 Task. 在 Netty 中, 每个 Task 都使用一个实现了 Runnable 接口的实例来表示.
将一个 Runnable 添加到 taskQueue 中时, 可以进行如下操作:
EventLoop eventLoop = channel.eventLoop(); eventLoop.execute(new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("Hello, Netty!"); } }); -------- 当调用 execute 后, 实际上是调用到了 SingleThreadEventExecutor.execute() 方法, 它的实现如下: -------- ↓↓↓↓ public void execute(Runnable task) { if (task == null) { throw new NullPointerException("task"); } boolean inEventLoop = inEventLoop(); if (inEventLoop) { addTask(task); } else { startThread(); addTask(task); if (isShutdown() && removeTask(task)) { reject(); } } if (!addTaskWakesUp && wakesUpForTask(task)) { wakeup(inEventLoop); } } 添加任务的 addTask 方法的源码如下: protected void addTask(Runnable task) { if (task == null) { throw new NullPointerException("task"); } if (isShutdown()) { reject(); } taskQueue.add(task); } --------- taskQueue 是存放着待执行的任务的队列 --------- -
schedule 任务
除了通过 execute 添加普通的 Runnable 任务外, 还可以通过调用 eventLoop.scheduleXXX 之类的方法来添加一个定时任务.
EventLoop 中实现任务队列的功能在超类 SingleThreadEventExecutor 实现的, 而 schedule 功能的实现是在 SingleThreadEventExecutor 的父类, 即 AbstractScheduledEventExecutor 中实现的.在 AbstractScheduledEventExecutor 中, 有以 scheduledTaskQueue 字段:
Queue<ScheduledFutureTask<?>> scheduledTaskQueue;
scheduledTaskQueue 是一个队列(Queue), 其中存放的元素是 ScheduledFutureTask. 而 ScheduledFutureTask 我们很容易猜到, 它是对 Schedule 任务的一个抽象.AbstractScheduledEventExecutor 所实现的 schedule 方法
public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit) { ObjectUtil.checkNotNull(command, "command"); ObjectUtil.checkNotNull(unit, "unit"); if (delay < 0) { throw new IllegalArgumentException( String.format("delay: %d (expected: >= 0)", delay)); } return schedule(new ScheduledFutureTask<Void>( this, command, null, ScheduledFutureTask.deadlineNanos(unit.toNanos(delay)))); } ------------- 这是其中一个重载的 schedule, 当一个 Runnable 传递进来后, 会被封装为一个 ScheduledFutureTask 对象, 这个对象会记录下这个 Runnable 在何时运行、已何种频率运行等信息. 当构建了 ScheduledFutureTask 后, 会继续调用 另一个重载的 schedule 方法: <V> ScheduledFuture<V> schedule(final ScheduledFutureTask<V> task) { if (inEventLoop()) { scheduledTaskQueue().add(task); } else { execute(new OneTimeTask() { @Override public void run() { scheduledTaskQueue().add(task); } }); } return task; } 在这个方法中, ScheduledFutureTask 对象就会被添加到 scheduledTaskQueue 中了 ------------- -
任务的执行
当一个任务被添加到 taskQueue 后, 它是怎么被 EventLoop 执行的呢?NioEventLoop.run() 方法中, 在这个方法里, 会分别调用 processSelectedKeys() 和 runAllTasks() 方法, 来进行 IO 事件的处理和 task 的处理.
runAllTasks 方法有两个重载的方法, 一个是无参数的, 另一个有一个参数的. 首先来看一下无参数的 runAllTasks:
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; } } } EventLoop 可以通过调用 EventLoop.execute 来将一个 Runnable 提交到 taskQueue 中, 也可以通过调用 EventLoop.schedule 来提交一个 schedule 任务到 scheduledTaskQueue 中. 在此方法的一开始调用的 fetchFromScheduledTaskQueue() 其实就是将 scheduledTaskQueue 中已经可以执行的(即定时时间已到的 schedule 任务) 拿出来并添加到 taskQueue 中, 作为可执行的 task 等待被调度执行，源码如下： private void fetchFromScheduledTaskQueue() { if (hasScheduledTasks()) { long nanoTime = AbstractScheduledEventExecutor.nanoTime(); for (;;) { Runnable scheduledTask = pollScheduledTask(nanoTime); if (scheduledTask == null) { break; } taskQueue.add(scheduledTask); } } } 接下来 runAllTasks() 方法就会不断调用 task = pollTask() 从 taskQueue 中获取一个可执行的 task, 然后调用它的 run() 方法来运行此 task. 注: 因为 EventLoop 既需要执行 IO 操作, 又需要执行 task, 因此我们在调用 EventLoop.execute 方法提交任务时, 不要提交耗时任务, 更不能提交一些会造成阻塞的任务, 不然会导致我们的 IO 线程得不到调度, 影响整个程序的并发量。 这里也是为什么用我们自己的线程池隔离一些可能阻塞的业务。
Netty如何保证异步串行无锁化?
通过串行化设计，即消息的处理尽可能在同一个线程内完成，期间不进行线程切换，这样就避免了多线程竞争和同步锁。
Netty采用了串行无锁化设计，在IO线程内部进行串行操作，避免多线程竞争导致的性能下降。表面上看，串行化设计似乎CPU利用率不高，并发程度不够。但是，通过调整NIO线程池的线程参数，可以同时启动多个串行化的线程并行运行，这种局部无锁化的串行线程设计相比一个队列-多个工作线程模型性能更优。
NioEventLoop读取到消息之后，直接调用ChannelPipeline的fireChannelRead(Object msg)方法，只要用户不主动切换线程，一直会由NioEventLoop调用到用户的Handler，期间不进行线程切换。
图示:
无锁化图解.png
Netty如何解决JDK空轮训BUG
Selector BUG出现的原因
若Selector的轮询结果为空，也没有wakeup或新消息处理，则发生空轮询，CPU使用率100%
解决办法:
1. 对Selector的select操作周期进行统计，每完成一次空的select操作进行一次计数，
2. 若在某个周期内连续发生N次空轮询，则触发了epoll死循环bug。
3. 重建Selector，判断是否是其他线程发起的重建请求，若不是则将原SocketChannel从旧的Selector上去除注册，重新注册到新的Selector上，并将原来的Selector关闭。
Netty的处理方式是这样的：
记录select空转的次数，定义一个阀值，这个阀值默认是512，可以在应用层通过设置系统属性io.netty.selectorAutoRebuildThreshold传入，当空转的次数超过了这个阀值，重新构建新Selector，将老Selector上注册的Channel转移到新建的Selector上，关闭老Selector，用新的Selector代替老Selector，详细实现可以查看NioEventLoop中的selector和rebuildSelector方法：
for (;;) {
long timeoutMillis = (selectDeadLineNanos - currentTimeNanos + 500000L) / 1000000L;
if (timeoutMillis <= 0) {
if (selectCnt == 0) {
selector.selectNow();
selectCnt = 1;
}
break;
}
int selectedKeys = selector.select(timeoutMillis);
selectCnt ++;
if (selectedKeys != 0 || oldWakenUp || wakenUp.get() || hasTasks()) {
// Selected something,
// waken up by user, or
// the task queue has a pending task.
break;
}
if (selectedKeys == 0 && Thread.interrupted()) {
// Thread was interrupted so reset selected keys and break so we not run into a busy loop.
// As this is most likely a bug in the handler of the user or it's client library we will
// also log it.
//
// See https://github.com/netty/netty/issues/2426
if (logger.isDebugEnabled()) {
logger.debug("Selector.select() returned prematurely because " +
"Thread.currentThread().interrupt() was called. Use " +
"NioEventLoop.shutdownGracefully() to shutdown the NioEventLoop.");
}
selectCnt = 1;
break;
}
if (SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD > 0 &&
selectCnt >= SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD) {
// The selector returned prematurely many times in a row.
// Rebuild the selector to work around the problem.
logger.warn(
"Selector.select() returned prematurely {} times in a row; rebuilding selector.",
selectCnt);
rebuildSelector();
selector = this.selector;
// Select again to populate selectedKeys.
selector.selectNow();
selectCnt = 1;
break;
}
currentTimeNanos = System.nanoTime();
}
public void rebuildSelector() {
if (!inEventLoop()) {
execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
rebuildSelector();
}
});
return;
}
final Selector oldSelector = selector;
final Selector newSelector;
if (oldSelector == null) {
return;
}
try {
newSelector = openSelector();
} catch (Exception e) {
logger.warn("Failed to create a new Selector.", e);
return;
}
// Register all channels to the new Selector.
int nChannels = 0;
for (;;) {
try {
for (SelectionKey key: oldSelector.keys()) {
Object a = key.attachment();
try {
if (!key.isValid() || key.channel().keyFor(newSelector) != null) {
continue;
}
int interestOps = key.interestOps();
key.cancel();
key.channel().register(newSelector, interestOps, a);
nChannels ++;
} catch (Exception e) {
logger.warn("Failed to re-register a Channel to the new Selector.", e);
if (a instanceof AbstractNioChannel) {
AbstractNioChannel ch = (AbstractNioChannel) a;
ch.unsafe().close(ch.unsafe().voidPromise());
} else {
@SuppressWarnings("unchecked")
NioTask<SelectableChannel> task = (NioTask<SelectableChannel>) a;
invokeChannelUnregistered(task, key, e);
}
}
}
} catch (ConcurrentModificationException e) {
// Probably due to concurrent modification of the key set.
continue;
}
break;
}
selector = newSelector;
try {
// time to close the old selector as everything else is registered to the new one
oldSelector.close();
} catch (Throwable t) {
if (logger.isWarnEnabled()) {
logger.warn("Failed to close the old Selector.", t);
}
}
logger.info("Migrated " + nChannels + " channel(s) to the new Selector.");
}
