Netty学习之核心组件ChannelPipeline

ChannelPipeline 提供了ChannelHandler 链的容器，并定义了用于在该链上传播入站和出站事件流的API。ChannelPipeline不是单独存在,它肯定会和Channel、ChannelHandler、ChannelHandlerContext关联在一起。

ChannelHandler

概述

如上图所示ChannelHandler下主要是两个子接口：

ChannelInboundHandler(入站)：处理输入数据和Channel状态类型改变。

适配器：ChannelInboundHandlerAdapter（适配器设计模式）

常用的：SimpleChannelInboundHandler

ChannelOutboundHandler(出站)：处理输出数据

适配器：ChannelOutboundHandlerAdapter

Netty 以适配器类的形式提供了大量默认的ChannelHandler 实现，帮我们简化应用程序处理逻辑的开发过程。每一个Handler都一定会处理出站或者入站(可能两者都处理数据),例如对于入站的Handler可能会继承SimpleChannelInboundHandler或者ChannelInboundHandlerAdapter, 而SimpleChannelInboundHandler又是继承于ChannelInboundHandlerAdapter，最大的区别在于SimpleChannelInboundHandler会对没有外界引用的资源进行一定的清理, 并且入站的消息可以通过泛型来规定。

采用适配器模式，是因为我们在写自定义Handel时候,很少会直接实现上面两个接口,因为接口中有很多默认方法需要实现,所以这里就采用了设配器模式,ChannelInboundHandlerAdapter和

ChannelInboundHandlerAdapter就是设配器模式的产物,让它去实现上面接口,实现它所有方法。那么你自己写自定义Handel时,只要继承它,就无须重写上面接口的所有方法了。

Channel 生命周期(执行顺序也是从上倒下)

  • channelRegistered：channel注册到一个EventLoop。
  • channelActive：变为活跃状态（连接到了远程主机），可以接受和发送数据
  • channelInactive：channel处于非活跃状态，没有连接到远程主机
  • channelUnregistered：channel已经创建，但是未注册到一个EventLoop里面，也就是没有和Selector绑定

ChannelHandler 生命周期

  • handlerAdded：当 ChannelHandler 添加到 ChannelPipeline 调用
  • handlerRemoved：当 ChannelHandler 从 ChannelPipeline 移除时调用
  • exceptionCaught：当 ChannelPipeline 执行抛出异常时调用

ChannelPipeline

概述

如图所示ChannelPipeline类是ChannelHandler实例对象的链表，用于处理或截获通道的接收和发送数据。它提供了一种高级的截取过滤模式（类似serverlet中的filter功能），让用户可以在ChannelPipeline中完全控制一个事件以及如何处理ChannelHandler与ChannelPipeline的交互。

对于每个新的通道Channel，都会创建一个新的ChannelPipeline，并将其pipeline附加到channel中。下图描述ChannelHandler与pipeline中的关系，一个io操作可以由一个ChannelInboundHandler或ChannelOutboundHandle进行处理，并通过调用ChannelInboundHandler处理入站io或通过ChannelOutboundHandler处理出站IO。

常用方法

addFirst(...)   //添加ChannelHandler在ChannelPipeline的第一个位置
addBefore(...)   //在ChannelPipeline中指定的ChannelHandler名称之前添加ChannelHandler
addAfter(...)   //在ChannelPipeline中指定的ChannelHandler名称之后添加ChannelHandler
addLast(...)   //在ChannelPipeline的末尾添加ChannelHandler
remove(...)   //删除ChannelPipeline中指定的ChannelHandler
replace(...)   //替换ChannelPipeline中指定的ChannelHandler

ChannelPipeline可以动态添加、删除、替换其中的ChannelHandler，这样的机制可以提高灵活性。示例：

ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline(); 
FirstHandler firstHandler = new FirstHandler(); 
pipeline.addLast("handler1", firstHandler); 
pipeline.addFirst("handler2", new SecondHandler()); 
pipeline.addLast("handler3", new ThirdHandler()); 
pipeline.remove("“handler3“"); 
pipeline.remove(firstHandler); 
pipeline.replace("handler2", "handler4", new FourthHandler());

入站出站Handler执行顺序

一般的项目中，inboundHandler和outboundHandler有多个，在Pipeline中的执行顺序？InboundHandler顺序执行，OutboundHandler逆序执行。如代码：

ch.pipeline().addLast(new InboundHandler1());
ch.pipeline().addLast(new OutboundHandler1());
ch.pipeline().addLast(new OutboundHandler2());
ch.pipeline().addLast(new InboundHandler2());

或者：

ch.pipeline().addLast(new OutboundHandler1());
ch.pipeline().addLast(new OutboundHandler2());
ch.pipeline().addLast(new InboundHandler1());
ch.pipeline().addLast(new InboundHandler2());

其实上面的执行顺序都是一样的：

InboundHandler1--> InboundHandler2 -->OutboundHandler2 -->OutboundHandler1

再假设我们现在的Pipeline中的Handler执行器链是这样的：

Pipeline->h1->h2->h3->h4->h5->h6->tail

假设h1，h2，h3是ChannelInboudHadnler入栈处理器，h4,h5,h6是ChannelOutboundHandler出栈处理器

那么Handler的执行顺序是h1->h2->h3->h6->h5->h4,先执行InboundHandler，再反从tail往前找执行OutboundHandler

ChannelPipeline中channelHandler协作规则

1、业务执行后需要 ChannelHandlerContext.fire*() 或者 Channel*Handler.super*(), 否则不会传递到下一个handler，如下图：

2、如果outhandler在inhandler之后添加，所有inhandler中的最后一个inhandler需要写个ctx.channel().write, 这样能进入outhandler的write()中执行，如下图：

3、在第2中，如果不希望使用ctx.channel().write，那么要触发outhandler的write操作需要把outhandler在inhandler之前添加到pipeline（重要），该情况下还使用ctx.channel().write，会触发两次outhandler.write，如下图：

通常来说outhandler都放到前面添加。netty findchannelhandler机制寻找读事件会先找outhanlder的read方法，在inhandler前面添加的outhandler不能在write方法内调用fireChannelRead事件，否则将pipeline会进入死循环，死循环为：outHandler(read)-->inhandler(read)-->outhandler(write)-->inhandler(read) ··· ···最后这次read触发就是因为outhandler的write方法出现了fireChannelRead事件。

4、outhandler使用ctx.write(msg,promise)传递给下一个outhandler，如下图：

5、所有的inhandler的最后一个使用ctx.writeAndFlush(msg)触发给outhandler所有的outhandler的出去口，outhandler最后也需要通过ctx.writeAndFlush(msg)才能发送给客户端。如果多个inhandler执行ctx.writeAndFlush(msg) 客户端则会收到多个返回数据，因为这样outhandler会被触发多次。

6、outBound和inbound谁先执行，针对客户端和服务端而言，客户端是发起请求再接收数据，先outbound再inbound，服务端则相反。

ChannelHandlerContext

ChannelPipeline并不是直接管理ChannelHandler，而是通过ChannelHandlerContext来间接管理，这一点通过ChannelPipeline的默认实现DefaultChannelPipeline可以看出来。

DefaultChannelHandlerContext和DefaultChannelPipeline是ChannelHandlerContext和ChannelPipeline的默认实现，在DefaultPipeline内部，DefaultChannelHandlerContext组成了一个双向链表。 我们看下DefaultChannelPipeline的构造函数：

/**
  * 可以看到,DefaultChinnelPipeline 内部使用了两个特殊的Hander 来表示Handel链的头和尾。
  */
 public DefaultChannelPipeline(AbstractChannel channel) {
     if (channel == null) {
         throw new NullPointerException("channel");
     }
     this.channel = channel;

     TailHandler tailHandler = new TailHandler();
     tail = new DefaultChannelHandlerContext(this, null, generateName(tailHandler), tailHandler);

     HeadHandler headHandler = new HeadHandler(channel.unsafe());
     head = new DefaultChannelHandlerContext(this, null, generateName(headHandler), headHandler);

     head.next = tail;
     tail.prev = head;
 }

所以对于DefaultChinnelPipeline，它的Handler头部和尾部的Handler是固定的,我们所添加的Handler是添加在这个头和尾之间的Handler。

几者关系

先大致说下什么是Channel：通常来说, 所有的 NIO 的 I/O 操作都是从 Channel 开始的，一个 channel 类似于一个 stream。在Netty中,Channel是客户端和服务端建立的一个连接通道。

虽然java Stream 和 NIO Channel都是负责I/O操作,但他们还是有许多区别的：

  • 我们可以在同一个 Channel 中执行读和写操作, 然而同一个 Stream 仅仅支持读或写。
  • Channel 可以异步地读写, 而 Stream 是阻塞的同步读写。
  • Channel 总是从 Buffer 中读取数据, 或将数据写入到 Buffer 中。

几者的关系图如下：

一个Channel包含一个ChannelPipeline，创建Channel时会自动创建一个ChannelPipeline，每个Channel都有一个管理它的pipeline，这关联是永久性的。

每一个ChannelPipeline中可以包含多个ChannelHandler。所有ChannelHandler都会顺序加入到ChannelPipeline中,ChannelHandler实例与ChannelPipeline之间的桥梁是ChannelHandlerContext实例。

传播过程解释

现在通过源码将上面的整个传播流程大致走一遍。先从Channel的抽象子类AbstractChannel开始，下面是AbstractChannel#write()方法的实现：

public abstract class AbstractChannel extends DefaultAttributeMap implements Channel {
    // ...
    @Override
    public Channel write(Object msg) {
        return pipeline.write(msg);
    }
    // ...
}

AbstractChannel直接调用了Pipeline的write()方法：

再看DefaultChannelPipeline的write()方法实现：

final class DefaultChannelPipeline implements ChannelPipeline {
    // ...
    @Override
    public ChannelFuture write(Object msg) {
        return tail.write(msg);
    }
    // ...
}

因为write是个outbound事件，所以DefaultChannelPipeline直接找到tail部分的context，调用其write()方法：

接着看DefaultChannelHandlerContext的write()方法：

final class DefaultChannelHandlerContext extends DefaultAttributeMap implements ChannelHandlerContext {
    // ...
    @Override
    public ChannelFuture write(Object msg) {
        return write(msg, newPromise());
    }
 
    @Override
    public ChannelFuture write(final Object msg, final ChannelPromise promise) {
        if (msg == null) {
            throw new NullPointerException("msg");
        }
 
        validatePromise(promise, true);
 
        write(msg, false, promise);
 
        return promise;
    }
 
    private void write(Object msg, boolean flush, ChannelPromise promise) {
        DefaultChannelHandlerContext next = findContextOutbound();
        next.invokeWrite(msg, promise);
        if (flush) {
            next.invokeFlush();
        }
    }
 
    private DefaultChannelHandlerContext findContextOutbound() {
        DefaultChannelHandlerContext ctx = this;
        do {
            ctx = ctx.prev;
        } while (!ctx.outbound);
        return ctx;
    }
 
    private void invokeWrite(Object msg, ChannelPromise promise) {
        try {
            ((ChannelOutboundHandler) handler).write(this, msg, promise);
        } catch (Throwable t) {
            notifyOutboundHandlerException(t, promise);
        }
    }
 
    // ...
}

context的write()方法沿着context链往前找，直至找到一个outbound类型的context为止（ctx.outbound），然后调用其invokeWrite()方法：

invokeWrite()接着调用handler的write()方法：

最后看看ChannelOutboundHandlerAdapter的write()方法实现：

public class ChannelOutboundHandlerAdapter extends ChannelHandlerAdapter implements ChannelOutboundHandler {
    // ...
    @Override
    public void write(ChannelHandlerContext ctx, Object msg, ChannelPromise promise) throws Exception {
        ctx.write(msg, promise);
    }
    // ...
}

默认的实现调用了context的write()方法而不做任何处理，这样write事件就沿着outbound链继续传播：

可见，Pipeline的事件传播，是靠Pipeline，Context和Handler共同协作完成的。 

 

参考：

 

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