（二）Netty源码学习笔记之服务端启动
尊重原创，转载注明出处，原文地址：http://www.cnblogs.com/cishengchongyan/p/6129971.html
本文将不会对netty中每个点分类讲解，而是一个服务端启动的代码走读，在这个过程中再去了解和学习，这也是博主自己的学习历程。下面开始正文~~~~
众所周知，在写netty服务端应用的时候一般会有这样的启动代码：
（代码一）
1 EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
2 EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
3 try {
4 ServerBootstrap bootStrap = new ServerBootstrap();
5 bootStrap.group(bossGroup, workerGroup)
6 .channel(NioServerSocketChannel.class)
7 .childHandler(new WebsocketChatServerInitializer())
8 .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128)
9 .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true);
10
11 ChannelFuture f = bootStrap.bind(port).sync();
12 f.channel().closeFuture().sync();
13 } finally {
14 ...
15 }
本文将沿着这条主线来走读代码，但是在走读之前首先要先认识一下Netty中的reactor模式是怎么玩的。
首先先借用Doug Lea在Scalable IO in Java中的经典的图示：
这张图是经典的运用了多路复用的Reactor模式，也大致说明了在netty中各线程的工作模式，mainReactor负责处理客户端的请求，subReacor负责处理I/O的读写操作，同时还会有一些用户的线程，用于异步处理I/O数据，在整个过程中通过角色细化，有效地将线程资源充分利用起来，构建了一条无阻塞通道，最后将耗时的业务逻辑交由业务线程去处理。本文不会对reactor做过多的解读，而是结合netty的线程池模式来学习。
回到刚刚的主题，在服务端启动的时候首先会new两个NioEventLoopGroup，一个叫bossGroup（boss线程池），一个叫workerGroup（worker线程池），而这两个就分别对应了上述的mainReactor和subReacor。接下来我们来看在new的过程中发生了什么。
代码走到MultithreadEventLoopGroup的构造方法中：
（代码二）
1 public abstract class MultithreadEventLoopGroup extends MultithreadEventExecutorGroup implements EventLoopGroup {
2
3 private static final int DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS;
4
5 static {
6 DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS = Math.max(1, SystemPropertyUtil.getInt(
7 "io.netty.eventLoopThreads", Runtime.getRuntime().availableProcessors() * 2));
8
9 if (logger.isDebugEnabled()) {
10 logger.debug("-Dio.netty.eventLoopThreads: {}", DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS);
11 }
12 }
13
14 protected MultithreadEventLoopGroup(int nThreads, ThreadFactory threadFactory, Object... args) {
15 super(nThreads == 0? DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS : nThreads, threadFactory, args);
16 }
17 ...
18 }
可以看到如果参数传入了thread个数就取这个数目，如果没有传入就取可用处理器（CPU）个数的2倍。因此【代码一】中boss只有1个线程，而worker有2*cpu个数个线程。
继续往下走到了核心代码MultithreadEventExecutorGroup中：
（代码三）
1 public abstract class MultithreadEventExecutorGroup extends AbstractEventExecutorGroup {
2
3 private final EventExecutor[] children;
4 private final AtomicInteger childIndex = new AtomicInteger();
5 private final AtomicInteger terminatedChildren = new AtomicInteger();
6 private final Promise<?> terminationFuture = new DefaultPromise(GlobalEventExecutor.INSTANCE);
7 private final EventExecutorChooser chooser;
8
9 protected MultithreadEventExecutorGroup(int nThreads, ThreadFactory threadFactory, Object... args) {
10 if (nThreads <= 0) {
11 throw new IllegalArgumentException(String.format("nThreads: %d (expected: > 0)", nThreads));
12 }
13
14 if (threadFactory == null) {
15 threadFactory = newDefaultThreadFactory();
16 }
17
18 children = new SingleThreadEventExecutor[nThreads];
19 if (isPowerOfTwo(children.length)) {
20 chooser = new PowerOfTwoEventExecutorChooser();
21 } else {
22 chooser = new GenericEventExecutorChooser();
23 }
24
25 for (int i = 0; i < nThreads; i ++) {
26 boolean success = false;
27 try {
28 children[i] = newChild(threadFactory, args);
29 success = true;
30 } catch (Exception e) {
31 // TODO: Think about if this is a good exception type
32 throw new IllegalStateException("failed to create a child event loop", e);
33 } finally {
34 if (!success) {
35 ...50 }
51 }
52 }
53
54 final FutureListener<Object> terminationListener = new FutureListener<Object>() {
55 @Override
56 public void operationComplete(Future<Object> future) throws Exception {
57 if (terminatedChildren.incrementAndGet() == children.length) {
58 terminationFuture.setSuccess(null);
59 }
60 }
61 };
62
63 for (EventExecutor e: children) {
64 e.terminationFuture().addListener(terminationListener);
65 }
66 }
首先new一个线程工厂newDefaultThreadFactory，然后给变量children赋值【PS：children是线程执行器的集合，几个线程就会有几个EventExecutor。因此EventExecutor是Reactor模式中真正执行工作的对象，它继承自ScheduledExecutorService，所以应该明白它本质上是什么了吧】
children是赋值new了给定线程数数量的SingleThreadEventExecutor，看其内部代码，SingleThreadEventExecutor构造方法：
（代码四）
1 public abstract class SingleThreadEventExecutor extends AbstractScheduledEventExecutor {
2 ...
3 private final EventExecutorGroup parent;
4 private final Queue<Runnable> taskQueue;
5 private final Thread thread;
6 ...
7 protected SingleThreadEventExecutor(
8 EventExecutorGroup parent, ThreadFactory threadFactory, boolean addTaskWakesUp) {
9
10 if (threadFactory == null) {
11 throw new NullPointerException("threadFactory");
12 }
13
14 this.parent = parent;
15 this.addTaskWakesUp = addTaskWakesUp;
16
17 thread = threadFactory.newThread(new Runnable() {
18 @Override
19 public void run() {
20 boolean success = false;
21 updateLastExecutionTime();
22 try {
23 SingleThreadEventExecutor.this.run();
24 success = true;
25 } catch (Throwable t) {
26 logger.warn("Unexpected exception from an event executor: ", t);
27 } finally {
28 ...
29 }
30 }
31 });
32 threadProperties = new DefaultThreadProperties(thread);
33 taskQueue = newTaskQueue();
34 }
35 ...
36 }
回到刚刚的主题（代码三），发现在children[i] = newChild(threadFactory, args);而newChild是抽象方法，由于最开始我们初始化的是NioEventLoopGroup，因此是在NioEventLoopGroup中调用的：
（代码五）
1 protected EventExecutor newChild(
2 ThreadFactory threadFactory, Object... args) throws Exception {
3 return new NioEventLoop(this, threadFactory, (SelectorProvider) args[0]);
4 }
因此相当于我们有多少个work或boss线程就有多少个NioEventLoop，而每一个NioEventLoop都绑定了一个selector。所以，相当于一个NioEventLoopGroup有自定义线程数量的NioEventLoop。
【PS：EventLoopGroup顾名思义是EventLoop的group，即包含了一组EventGroup。在实际的业务处理中，EventLoopGroup会通过EventLoop next()方法选择一个 EventLoop，然后将实际的业务处理交给这个被选出的EventLoop去做。对于 NioEventLoopGroup来说，其真实功能都会交给EventLoopGroup去实现。】
接下来我们重点去看一下EventLoop和EventLoopGroup，自己画了这一块的UML图来理一下类关系：
可以看出，EventLoop也继承自EventLoopGroup，因此也是EventLoopGroup的一种。同时看到，这一堆类都实现自ScheduledExecutorService，那么大家应该理解EventLoop和EventLoopGroup本质上是什么东西了吧。这里先不铺展开，下文中在讲注册逻辑时会对EventLoopGroup做一个更详细的了解。
我们先回到【代码五主线】，我们接下来继续看初始化逻辑：
（代码六）
1 NioEventLoop(NioEventLoopGroup parent, ThreadFactory threadFactory, SelectorProvider selectorProvider) {
2 super(parent, threadFactory, false);
3 if (selectorProvider == null) {
4 throw new NullPointerException("selectorProvider");
5 }
6 provider = selectorProvider;
7 selector = openSelector();
8 }
初始化NioEventLoop时调用了openSelector来打开当前操作系统中一个默认的selector实现。
回到【代码一主线】，服务端初始化了boss和worker线程之后调用ServerBootstrap.group()来绑定两个线程池调度器。接下来调用ServerBootstrap.channel(NioServerSocketChannel.class)。这块逻辑很简单就是在bootstrap内部初始化了一个class类型是NioServerSocketChannel的ChannelFactory，【PS：ChannelFactory不会指定生产对象的具体类型，只要继承自Channel就可以了】。
接下来，ServerBootstrap.childHandler()作用就是设置ChannelHandler来响应Channel的请求。一般这里都会设置抽象类ChannelInitializer，并且实现模板方法initChannel，在ChannelHandler注册（初始化）的时候会调用initChannel来完成ChannelPipeline的初始化。
（代码七）
1 public abstract class ChannelInitializer<C extends Channel> extends ChannelInboundHandlerAdapter {
2
3 protected abstract void initChannel(C ch) throws Exception;
4
5 @Override
6 @SuppressWarnings("unchecked")
7 public final void channelRegistered(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
8 initChannel((C) ctx.channel());
9 ctx.pipeline().remove(this);
10 ctx.fireChannelRegistered();
11 }
12 ...
13 }
关于ChannelHandler我们后面会做详细的介绍，这里只需要了解到此就可以了。
回到【代码一主线】，接下来bootStrap.option()和childOption()分别是给boss线程和worder线程设置参数，这里先忽略。
然后是绑定端口ChannelFuture f = bootStrap.bind(port);在这一步中不仅仅是绑定端口，实际上需要做大量的初始化工作。我们先看一下AbstractBootstrap中的核心代码：
（代码八）
1 private ChannelFuture doBind(final SocketAddress localAddress) {
2 final ChannelFuture regFuture = initAndRegister();
3 final Channel channel = regFuture.channel();
4 if (regFuture.cause() != null) {
5 return regFuture;
6 }
7
8 if (regFuture.isDone()) {
9 ChannelPromise promise = channel.newPromise();
10 doBind0(regFuture, channel, localAddress, promise);
11 return promise;
12 } else {
13 final PendingRegistrationPromise promise = new PendingRegistrationPromise(channel);
14 regFuture.addListener(new ChannelFutureListener() {
15 @Override
16 public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {
17 Throwable cause = future.cause();
18 if (cause != null) {
19 promise.setFailure(cause);
20 } else {
21 promise.executor = channel.eventLoop();
22 }
23 doBind0(regFuture, channel, localAddress, promise);
24 }
25 });
26 return promise;
27 }
28 }
【代码八主线】首先是initAndRegister()，看一下代码：
（代码九）
1 final ChannelFuture initAndRegister() {
2 final Channel channel = channelFactory().newChannel();
3 try {
4 init(channel);
5 } catch (Throwable t) {
6 channel.unsafe().closeForcibly();
7 return new DefaultChannelPromise(channel, GlobalEventExecutor.INSTANCE).setFailure(t);
8 }
9
10 ChannelFuture regFuture = group().register(channel);
11 if (regFuture.cause() != null) {
12 if (channel.isRegistered()) {
13 channel.close();
14 } else {
15 channel.unsafe().closeForcibly();
16 }
17 }
18
19 return regFuture;
20 }
首先调用工厂方法生成一个新Channel，我们刚刚说过，ChannelFactory不限定Channel的具体类型，而我们注册的是NioServerSocketChannel，那么这里生产的就是该类型的Channel，然后调用init()，具体实现在ServerBootstrap中：
（代码十）
1 @Override
2 void init(Channel channel) throws Exception {
3 final Map<ChannelOption<?>, Object> options = options();
4 synchronized (options) {
5 channel.config().setOptions(options);
6 }
7
8 final Map<AttributeKey<?>, Object> attrs = attrs();
9 synchronized (attrs) {
10 for (Entry<AttributeKey<?>, Object> e: attrs.entrySet()) {
11 @SuppressWarnings("unchecked")
12 AttributeKey<Object> key = (AttributeKey<Object>) e.getKey();
13 channel.attr(key).set(e.getValue());
14 }
15 }
16
17 ChannelPipeline p = channel.pipeline();
18
19 final EventLoopGroup currentChildGroup = childGroup;
20 final ChannelHandler currentChildHandler = childHandler;
21 final Entry<ChannelOption<?>, Object>[] currentChildOptions;
22 final Entry<AttributeKey<?>, Object>[] currentChildAttrs;
23 synchronized (childOptions) {
24 currentChildOptions = childOptions.entrySet().toArray(newOptionArray(childOptions.size()));
25 }
26 synchronized (childAttrs) {
27 currentChildAttrs = childAttrs.entrySet().toArray(newAttrArray(childAttrs.size()));
28 }
29
30 p.addLast(new ChannelInitializer<Channel>() {
31 @Override
32 public void initChannel(Channel ch) throws Exception {
33 ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
34 ChannelHandler handler = handler();
35 if (handler != null) {
36 pipeline.addLast(handler);
37 }
38 pipeline.addLast(new ServerBootstrapAcceptor(
39 currentChildGroup, currentChildHandler, currentChildOptions, currentChildAttrs));
40 }
41 });
42 }
在init()中做了大致这么几件事：1，配置channel的option；2，配置channel的attr；3，ChannelPipeline增加两个Handler，一个是bootstrap中的私有handler，一个是ServerBootstrapAcceptor（这个Handler用于接收客户连接后设置其初始化参数）。
【代码九主线】完成了init之后调用EventLoopGroup.register(channel)完成了channel的注册，实际上就是将channel注册到EventLoop中的selector上。这块我们可以了解一下其中的实现：
先看一下EventLoopGroup接口：
（代码十一）
1 public interface EventLoopGroup extends EventExecutorGroup {
2
3 @Override
4 EventLoop next();
5
6 ChannelFuture register(Channel channel);
7
8 ChannelFuture register(Channel channel, ChannelPromise promise);
9 }
其中next方法返回EventLoopGroup里的一个EventLoop，register用于注册Channel到EventLoop里。【PS:EventLoopGroup顾名思义是EventLoop的group，即包含了一组EventGroup。在实际的业务处理中，EventLoopGroup会通过EventLoop next()方法选择一个 EventLoop，然后将实际的业务处理交给这个被选出的EventLoop去做。对于 NioEventLoopGroup来说，其真实功能都会交给EventLoopGroup去实现】
我们详细看一下register到底如何实现的，往下看是在SingleThreadEventLoop里实现了该方法：
（代码十二）
1 public abstract class SingleThreadEventLoop extends SingleThreadEventExecutor implements EventLoop {
2 ...
3 @Override
4 public ChannelFuture register(Channel channel) {
5 return register(channel, new DefaultChannelPromise(channel, this));
6 }
7
8 @Override
9 public ChannelFuture register(final Channel channel, final ChannelPromise promise) {
10 if (channel == null) {
11 throw new NullPointerException("channel");
12 }
13 if (promise == null) {
14 throw new NullPointerException("promise");
15 }
16
17 channel.unsafe().register(this, promise);
18 return promise;
19 }
20 ...
21 }
注意，在这里调用了Channel的Unsafe内部类完成了注册，因此接下来的东西都是NIO中的 【PS:Unsafe是定义在Channel中的内部接口，是不会被用户代码调用到的，但是在channel的I/O操作中实际上都是由unsafe来完成的。Unsafe不论是接口还是类，都会定义到channel的内部（例如Channel接口中定义了Unsafe接口，AbstractChannel抽象类中定义了AbstractUnsafe抽象类），因此如果将nio类比为一个linux系统的话，那么unsafe就是其中的内核空间】
具体的register操作是在AbstractUnsafe中完成，在register()方法中调用了模板方法，我们看一下在AbstractNioChannel中的核心实现：
（代码十三）
1 @Override
2 protected void doRegister() throws Exception {
3 boolean selected = false;
4 for (;;) {
5 try {
6 selectionKey = javaChannel().register(eventLoop().selector, 0, this);
7 return;
8 } catch (CancelledKeyException e) {
9 if (!selected) {
10 eventLoop().selectNow();
11 selected = true;
12 } else {
13 throw e;
14 }
15 }
16 }
17 }
18 }
这里实际上调用的是SelectableChannel中的register方法，作用就是将本channel注册到本channel的eventLoop的Selector中，那么问题又来了，什么是SelectableChannel？【PS：它实现Channel接口，代码注释说明其是一种可以被Selector使用用于多路复用的Channel，SelectableChannel可以通过 register方法将自己注册在Selector上，并提供其所关注的事件类型。因此，继承自SelectableChannel的Channel才可以真正和Selector打交道，例如ServerSocketChannel和SocketChannel】
继续看其中的SelectableChannel中的实现：
（代码十四）
1 public final SelectionKey register(Selector sel, int ops,
2 Object att)throws ClosedChannelException{
3 synchronized (regLock) {
4 ...
5 SelectionKey k = findKey(sel);
6 if (k != null) {
7 k.interestOps(ops);
8 k.attach(att);
9 }
10 if (k == null) {
11 // New registration
12 synchronized (keyLock) {
13 if (!isOpen())
14 throw new ClosedChannelException();
15 k = ((AbstractSelector)sel).register(this, ops, att);
16 addKey(k);
17 }
18 }
19 return k;
20 }
21 }
这里的逻辑很清晰，如果该channel有在Selector中注册过（有对应的SelectionKey），那么将这个key强制绑定到入参的Channel中（可能会导致之前绑定失效），如果该channel没有在Selector中注册过，那么调用AbstractSelector（底层JDK实现）该register逻辑。至此我们完成了register逻辑代码的走读。
继续回归【代码八主线】，我们已经完成了initAndRegister逻辑，如果不出意外那么regFuture.isDone()将是true，接下来调用了doBind0()：
（代码十五）
1 private static void doBind0(
2 final ChannelFuture regFuture, final Channel channel,
3 final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise) {
4
5 channel.eventLoop().execute(new Runnable() {
6 @Override
7 public void run() {
8 if (regFuture.isSuccess()) {
9 channel.bind(localAddress, promise).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE_ON_FAILURE);
10 } else {
11 promise.setFailure(regFuture.cause());
12 }
13 }
14 });
15 }
这里有必要了解一下ChannelPromise，它扩展了Promise和ChannelFuture，是一个可写入的ChannelFuture。我再在网上搜了很多资料里说它具备监听器的功能。但是我自己不这么认为，我们看Promise接口在future的基础上增加了setSuccess(), setFailure()这些方法，而ChannelFuture里success和failuer都是不可写的。为什么呢？从定义上来看，ChannelFuture本来就是异步执行的结果，既然已经异步了那么在返回的时候本来就无法确定其成功或者失败，而有的时候我们做校验或者写一些业务逻辑的时候可以确定其结果，因此我觉得ChannelPromise作为一个可写的ChannelFuture是对其的一个补充，可以标记异步任务成功或者失败，因此它是netty异步框架中实际使用的异步执行结果。在这里调用channel.bind(localAddress, promise);作用很明确就是给该channel绑定端口，然后该方法会立即返回一个ChannelPromise（不论这个实际的异步操作有没有做完）。一般用法也是这样的，方法定义时返回值都是ChannelFuture，而实现时实际返回的都是ChannelPromise。
最后给立即返回的这个ChannelFuture添加一个listener。netty中有两种方式获取异步执行的真正结果，一种是调用老祖宗Future的get方法来获取（阻塞等待），一种是添加listener（异步回调），netty中推荐使用第二种方式，在整个的netty异步框架中也大量使用了这种方式。刚刚添加的那个listener的作用是：如果注册失败了，那么就关闭该Channel。最后bind返回异步的ChannelPromise，完成整个bind流程。
至此【代码一主线】走读完毕，我们大致浏览了一遍server端bootstrap启动流程。
最后大致总结一下服务端启动的主流程：
- 初始化boss和worker线程调度器NioEventLoopGroup，打开其中的Selector对象并配置相关参数。
- ServerBootstrap绑定这两个NioEventLoopGroup。
- 为server端确定绑定Channel的class类型（即将要使用什么类型），在本文的例子中绑定的是NioServerSocketChannel，实质上只是初始化ChannelFactory。（此时还没有初始化该Channel，也没有为Selector注册该Channel）。
- 初始化用户定义的ChannelInitializer，也就是在ChannelPipeline中添加用户自己的ChannelHandler（此时还没有注册，只是初始化变量而已）。
- 调用bind(port)启动监听，整个bind的过程非常复杂，做了最核心的初始化工作：
1) ChannelFactory生成核心的NioServerSocketChannel实例，为该Channel初始化参数，然后为NioServerSocketChannel的pipeline中再添加两个netty框架的Handler。
2) 将NioServerSocketChannel实例绑定到boss线程调度器的Selector中，此时boss线程被激活并开始接受I/O请求，同时所有的Pipeline中的Handler也会完成注册。
3) 异步为NioServerSocketChannel绑定注册的端口。
至此，ServerBootstrap启动完毕，开始接收I/O请求。本文大致走读了一遍服务端启动的代码，在走读的过程中对一些概念进行解读，相信大家在大脑中对netty的基本成员已经有了一个轮廓。那么服务端启动之后，netty是如何接收并分发socket请求，pipeline中又是如何组织并调用handler，以及boss和worker如何协同工作将在下一篇博客中进行解读。
