netty系列之:NIO和netty详解
简介
netty为什么快呢？这是因为netty底层使用了JAVA的NIO技术，并在其基础上进行了性能的优化，虽然netty不是单纯的JAVA nio，但是netty的底层还是基于的是nio技术。
nio是JDK1.4中引入的，用于区别于传统的IO，所以nio也可以称之为new io。
nio的三大核心是Selector,channel和Buffer，本文我们将会深入探究NIO和netty之间的关系。
NIO常用用法
在讲解netty中的NIO实现之前，我们先来回顾一下JDK中NIO的selector，channel是怎么工作的。对于NIO来说selector主要用来接受客户端的连接，所以一般用在server端。我们以一个NIO的服务器端和客户端聊天室为例来讲解NIO在JDK中是怎么使用的。
因为是一个简单的聊天室，我们选择Socket协议为基础的ServerSocketChannel,首先就是open这个Server channel:
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress("localhost", 9527));
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
然后向server channel中注册selector:
Selector selector = Selector.open();
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
虽然是NIO，但是对于Selector来说，它的select方法是阻塞方法，只有找到匹配的channel之后才会返回，为了多次进行select操作，我们需要在一个while循环里面进行selector的select操作：
while (true) {
selector.select();
Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> iter = selectedKeys.iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey selectionKey = iter.next();
if (selectionKey.isAcceptable()) {
register(selector, serverSocketChannel);
}
if (selectionKey.isReadable()) {
serverResponse(byteBuffer, selectionKey);
}
iter.remove();
}
Thread.sleep(1000);
}
selector中会有一些SelectionKey,SelectionKey中有一些表示操作状态的OP Status,根据这个OP Status的不同，selectionKey可以有四种状态，分别是isReadable,isWritable,isConnectable和isAcceptable。
当SelectionKey处于isAcceptable状态的时候，表示ServerSocketChannel可以接受连接了，我们需要调用register方法将serverSocketChannel accept生成的socketChannel注册到selector中，以监听它的OP READ状态，后续可以从中读取数据：
private static void register(Selector selector, ServerSocketChannel serverSocketChannel)
throws IOException {
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
当selectionKey处于isReadable状态的时候，表示可以从socketChannel中读取数据然后进行处理：
private static void serverResponse(ByteBuffer byteBuffer, SelectionKey selectionKey)
throws IOException {
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
socketChannel.read(byteBuffer);
byteBuffer.flip();
byte[] bytes= new byte[byteBuffer.limit()];
byteBuffer.get(bytes);
log.info(new String(bytes).trim());
if(new String(bytes).trim().equals(BYE_BYE)){
log.info("说再见不如不见！");
socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("再见".getBytes()));
socketChannel.close();
}else {
socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("你是个好人".getBytes()));
}
byteBuffer.clear();
}
上面的serverResponse方法中，从selectionKey中拿到对应的SocketChannel，然后调用SocketChannel的read方法，将channel中的数据读取到byteBuffer中，要想回复消息到channel中，还是使用同一个socketChannel，然后调用write方法回写消息给client端，到这里一个简单的回写客户端消息的server端就完成了。
接下来就是对应的NIO客户端，在NIO客户端需要使用SocketChannel,首先建立和服务器的连接：
socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("localhost", 9527));
然后就可以使用这个channel来发送和接受消息了：
public String sendMessage(String msg) throws IOException {
byteBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
String response = null;
socketChannel.write(byteBuffer);
byteBuffer.clear();
socketChannel.read(byteBuffer);
byteBuffer.flip();
byte[] bytes= new byte[byteBuffer.limit()];
byteBuffer.get(bytes);
response =new String(bytes).trim();
byteBuffer.clear();
return response;
}
向channel中写入消息可以使用write方法，从channel中读取消息可以使用read方法。
这样一个NIO的客户端就完成了。
虽然以上是NIO的server和client的基本使用，但是基本上涵盖了NIO的所有要点。接下来我们来详细了解一下netty中NIO到底是怎么使用的。
NIO和EventLoopGroup
以netty的ServerBootstrap为例，启动的时候需要指定它的group,先来看一下ServerBootstrap的group方法：
public ServerBootstrap group(EventLoopGroup group) {
return group(group, group);
}
public ServerBootstrap group(EventLoopGroup parentGroup, EventLoopGroup childGroup) {
...
}
ServerBootstrap可以接受一个EventLoopGroup或者两个EventLoopGroup，EventLoopGroup被用来处理所有的event和IO，对于ServerBootstrap来说，可以有两个EventLoopGroup，对于Bootstrap来说只有一个EventLoopGroup。两个EventLoopGroup表示acceptor group和worker group。
EventLoopGroup只是一个接口，我们常用的一个实现就是NioEventLoopGroup,如下所示是一个常用的netty服务器端代码：
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
try {
ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.group(bossGroup, workerGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class)
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ch.pipeline().addLast(new FirstServerHandler());
}
})
.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128)
.childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true);
// 绑定端口并开始接收连接
ChannelFuture f = b.bind(port).sync();
// 等待server socket关闭
f.channel().closeFuture().sync();
这里和NIO相关的有两个类，分别是NioEventLoopGroup和NioServerSocketChannel，事实上在他们的底层还有两个类似的类分别叫做NioEventLoop和NioSocketChannel，接下来我们分别讲解一些他们的底层实现和逻辑关系。
NioEventLoopGroup
NioEventLoopGroup和DefaultEventLoopGroup一样都是继承自MultithreadEventLoopGroup：
public class NioEventLoopGroup extends MultithreadEventLoopGroup
他们的不同之处在于newChild方法的不同，newChild用来构建Group中的实际对象，NioEventLoopGroup来说，newChild返回的是一个NioEventLoop对象，先来看下NioEventLoopGroup的newChild方法：
protected EventLoop newChild(Executor executor, Object... args) throws Exception {
SelectorProvider selectorProvider = (SelectorProvider) args[0];
SelectStrategyFactory selectStrategyFactory = (SelectStrategyFactory) args[1];
RejectedExecutionHandler rejectedExecutionHandler = (RejectedExecutionHandler) args[2];
EventLoopTaskQueueFactory taskQueueFactory = null;
EventLoopTaskQueueFactory tailTaskQueueFactory = null;
int argsLength = args.length;
if (argsLength > 3) {
taskQueueFactory = (EventLoopTaskQueueFactory) args[3];
}
if (argsLength > 4) {
tailTaskQueueFactory = (EventLoopTaskQueueFactory) args[4];
}
return new NioEventLoop(this, executor, selectorProvider,
selectStrategyFactory.newSelectStrategy(),
rejectedExecutionHandler, taskQueueFactory, tailTaskQueueFactory);
}
这个newChild方法除了固定的executor参数之外，还可以根据NioEventLoopGroup的构造函数传入的参数来实现更多的功能。
这里参数中传入了SelectorProvider、SelectStrategyFactory、RejectedExecutionHandler、taskQueueFactory和tailTaskQueueFactory这几个参数，其中后面的两个EventLoopTaskQueueFactory并不是必须的。
最后所有的参数都会传递给NioEventLoop的构造函数用来构造出一个新的NioEventLoop。
在详细讲解NioEventLoop之前，我们来研读一下传入的这几个参数类型的实际作用。
SelectorProvider
SelectorProvider是JDK中的类，它提供了一个静态的provider()方法可以从Property或者ServiceLoader中加载对应的SelectorProvider类并实例化。
另外还提供了openDatagramChannel、openPipe、openSelector、openServerSocketChannel和openSocketChannel等实用的NIO操作方法。
SelectStrategyFactory
SelectStrategyFactory是一个接口，里面只定义了一个方法，用来返回SelectStrategy:
public interface SelectStrategyFactory {
SelectStrategy newSelectStrategy();
}
什么是SelectStrategy呢？
先看下SelectStrategy中定义了哪些Strategy:
int SELECT = -1;
int CONTINUE = -2;
int BUSY_WAIT = -3;
SelectStrategy中定义了3个strategy,分别是SELECT、CONTINUE和BUSY_WAIT。
我们知道一般情况下，在NIO中select操作本身是一个阻塞操作，也就是block操作，这个操作对应的strategy是SELECT,也就是select block状态。
如果我们想跳过这个block，重新进入下一个event loop,那么对应的strategy就是CONTINUE。
BUSY_WAIT是一个特殊的strategy，是指IO 循环轮询新事件而不阻塞,这个strategy只有在epoll模式下才支持，NIO和Kqueue模式并不支持这个strategy。
RejectedExecutionHandler
RejectedExecutionHandler是netty自己的类，和 java.util.concurrent.RejectedExecutionHandler类似，但是是特别针对SingleThreadEventExecutor来说的。这个接口定义了一个rejected方法，用来表示因为SingleThreadEventExecutor容量限制导致的任务添加失败而被拒绝的情况：
void rejected(Runnable task, SingleThreadEventExecutor executor);
EventLoopTaskQueueFactory
EventLoopTaskQueueFactory是一个接口，用来创建存储提交给EventLoop的taskQueue：
Queue<Runnable> newTaskQueue(int maxCapacity);
这个Queue必须是线程安全的，并且继承自java.util.concurrent.BlockingQueue.
讲解完这几个参数，接下来我们就可以详细查看NioEventLoop的具体NIO实现了。
NioEventLoop
首先NioEventLoop和DefaultEventLoop一样，都是继承自SingleThreadEventLoop：
public final class NioEventLoop extends SingleThreadEventLoop
表示的是使用单一线程来执行任务的EventLoop。
首先作为一个NIO的实现，必须要有selector，在NioEventLoop中定义了两个selector，分别是selector和unwrappedSelector：
private Selector selector;
private Selector unwrappedSelector;
在NioEventLoop的构造函数中，他们是这样定义的：
final SelectorTuple selectorTuple = openSelector();
this.selector = selectorTuple.selector;
this.unwrappedSelector = selectorTuple.unwrappedSelector;
首先调用openSelector方法，然后通过返回的SelectorTuple来获取对应的selector和unwrappedSelector。
这两个selector有什么区别呢？
在openSelector方法中，首先通过调用provider的openSelector方法返回一个Selector，这个Selector就是unwrappedSelector：
final Selector unwrappedSelector;
unwrappedSelector = provider.openSelector();
然后检查DISABLE_KEY_SET_OPTIMIZATION是否设置，如果没有设置那么unwrappedSelector和selector实际上是同一个Selector：
DISABLE_KEY_SET_OPTIMIZATION表示的是是否对select key set进行优化:
if (DISABLE_KEY_SET_OPTIMIZATION) {
return new SelectorTuple(unwrappedSelector);
}
SelectorTuple(Selector unwrappedSelector) {
this.unwrappedSelector = unwrappedSelector;
this.selector = unwrappedSelector;
}
如果DISABLE_KEY_SET_OPTIMIZATION被设置为false，那么意味着我们需要对select key set进行优化，具体是怎么进行优化的呢？
先来看下最后的返回：
return new SelectorTuple(unwrappedSelector,
new SelectedSelectionKeySetSelector(unwrappedSelector, selectedKeySet));
最后返回的SelectorTuple第二个参数就是selector，这里的selector是一个SelectedSelectionKeySetSelector对象。
SelectedSelectionKeySetSelector继承自selector，构造函数传入的第一个参数是一个delegate,所有的Selector中定义的方法都是通过调用
delegate来实现的，不同的是对于select方法来说，会首先调用selectedKeySet的reset方法,下面是以isOpen和select方法为例观察一下代码的实现：
public boolean isOpen() {
return delegate.isOpen();
}
public int select(long timeout) throws IOException {
selectionKeys.reset();
return delegate.select(timeout);
}
selectedKeySet是一个SelectedSelectionKeySet对象，是一个set集合，用来存储SelectionKey，在openSelector()方法中，使用new来实例化这个对象：
final SelectedSelectionKeySet selectedKeySet = new SelectedSelectionKeySet();
netty实际是想用这个SelectedSelectionKeySet类来管理Selector中的selectedKeys，所以接下来netty用了一个高技巧性的对象替换操作。
首先判断系统中有没有sun.nio.ch.SelectorImpl的实现：
Object maybeSelectorImplClass = AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Object>() {
@Override
public Object run() {
try {
return Class.forName(
"sun.nio.ch.SelectorImpl",
false,
PlatformDependent.getSystemClassLoader());
} catch (Throwable cause) {
return cause;
}
}
});
SelectorImpl中有两个Set字段：
private Set<SelectionKey> publicKeys;
private Set<SelectionKey> publicSelectedKeys;
这两个字段就是我们需要替换的对象。如果有SelectorImpl的话，首先使用Unsafe类，调用PlatformDependent中的objectFieldOffset方法拿到这两个字段相对于对象示例的偏移量，然后调用putObject将这两个字段替换成为前面初始化的selectedKeySet对象：
Field selectedKeysField = selectorImplClass.getDeclaredField("selectedKeys");
Field publicSelectedKeysField = selectorImplClass.getDeclaredField("publicSelectedKeys");
if (PlatformDependent.javaVersion() >= 9 && PlatformDependent.hasUnsafe()) {
// Let us try to use sun.misc.Unsafe to replace the SelectionKeySet.
// This allows us to also do this in Java9+ without any extra flags.
long selectedKeysFieldOffset = PlatformDependent.objectFieldOffset(selectedKeysField);
long publicSelectedKeysFieldOffset =
PlatformDependent.objectFieldOffset(publicSelectedKeysField);
if (selectedKeysFieldOffset != -1 && publicSelectedKeysFieldOffset != -1) {
PlatformDependent.putObject(
unwrappedSelector, selectedKeysFieldOffset, selectedKeySet);
PlatformDependent.putObject(
unwrappedSelector, publicSelectedKeysFieldOffset, selectedKeySet);
return null;
}
如果系统设置不支持Unsafe，那么就用反射再做一次：
Throwable cause = ReflectionUtil.trySetAccessible(selectedKeysField, true);
if (cause != null) {
return cause;
}
cause = ReflectionUtil.trySetAccessible(publicSelectedKeysField, true);
if (cause != null) {
return cause;
}
selectedKeysField.set(unwrappedSelector, selectedKeySet);
publicSelectedKeysField.set(unwrappedSelector, selectedKeySet);
在NioEventLoop中我们需要关注的一个非常重要的重写方法就是run方法，在run方法中实现了如何执行task的逻辑。
还记得前面我们提到的selectStrategy吗？run方法通过调用selectStrategy.calculateStrategy返回了select的strategy，然后通过判断
strategy的值来进行对应的处理。
如果strategy是CONTINUE，这跳过这次循环，进入到下一个loop中。
BUSY_WAIT在NIO中是不支持的，如果是SELECT状态，那么会在curDeadlineNanos之后再次进行select操作：
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()) {
strategy = select(curDeadlineNanos);
}
} finally {
// This update is just to help block unnecessary selector wakeups
// so use of lazySet is ok (no race condition)
nextWakeupNanos.lazySet(AWAKE);
}
// fall through
default:
如果strategy > 0,表示有拿到了SelectedKeys,那么需要调用processSelectedKeys方法对SelectedKeys进行处理：
private void processSelectedKeys() {
if (selectedKeys != null) {
processSelectedKeysOptimized();
} else {
processSelectedKeysPlain(selector.selectedKeys());
}
}
上面提到了NioEventLoop中有两个selector，还有一个selectedKeys属性，这个selectedKeys存储的就是Optimized SelectedKeys，如果这个值不为空，就调用processSelectedKeysOptimized方法，否则就调用processSelectedKeysPlain方法。
processSelectedKeysOptimized和processSelectedKeysPlain这两个方法差别不大，只是传入的要处理的selectedKeys不同。
处理的逻辑是首先拿到selectedKeys的key，然后调用它的attachment方法拿到attach的对象：
final SelectionKey k = selectedKeys.keys[i];
selectedKeys.keys[i] = null;
final Object a = k.attachment();
if (a instanceof AbstractNioChannel) {
processSelectedKey(k, (AbstractNioChannel) a);
} else {
NioTask<SelectableChannel> task = (NioTask<SelectableChannel>) a;
processSelectedKey(k, task);
}
如果channel还没有建立连接，那么这个对象可能是一个NioTask,用来处理channelReady和channelUnregistered的事件。
如果channel已经建立好连接了，那么这个对象可能是一个AbstractNioChannel。
针对两种不同的对象，会去分别调用不同的processSelectedKey方法。
对第一种情况，会调用task的channelReady方法：
task.channelReady(k.channel(), k);
对第二种情况，会根据SelectionKey的readyOps()的各种状态调用ch.unsafe()中的各种方法，去进行read或者close等操作。
总结
NioEventLoop虽然也是一个SingleThreadEventLoop,但是通过使用NIO技术，可以更好的利用现有资源实现更好的效率，这也就是为什么我们在项目中使用NioEventLoopGroup而不是DefaultEventLoopGroup的原因。
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