Netty源码分析-EventLoopGroup如何工作

蚂蚁背大象
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Netty版本：netty-4.1.74.Final

1. Reactor 线程模型

package io.netty.example.discard;
    
import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;

import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelOption;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
    
/**
 * Discards any incoming data.
 */
public class DiscardServer {
    
    private int port;
    
    public DiscardServer(int port) {
        this.port = port;
    }
    
    public void run() throws Exception {
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1); // (1)
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap(); // (2)
            b.group(bossGroup, workerGroup)
             .channel(NioServerSocketChannel.class) // (3)
             .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { // (4)
                 @Override
                 public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                     ch.pipeline().addLast(new DiscardServerHandler());
                 }
             })
             .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128)          // (5)
             .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true); // (6)
    
            // Bind and start to accept incoming connections.
            ChannelFuture f = b.bind(port).sync(); // (7)
    
            // Wait until the server socket is closed.
            // In this example, this does not happen, but you can do that to gracefully
            // shut down your server.
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            workerGroup.shutdownGracefully();
            bossGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int port = 8080;
        if (args.length > 0) {
            port = Integer.parseInt(args[0]);
        }

        new DiscardServer(port).run();
    }
}

Tips: 上面代码来源于官网，(1)位置代码构造函数修改了，增加1参数

从上面代码可以看出来Netty推荐主从Reactor的线程模型。Reactor线程模型运行机制主要有以下四步：

  • 连接注册

  • 事件轮询

  • 事件分发

    I/O事件，Accept、Read、Write

  • 事件处理

image.png

下面我们就从一下几个方面来说明EventLoopGroup 如何工作的

image.png

2. EventLoopGroup创建

以 NioEventLoopGroup 为例子通过跟进源码可以知道创建一个**EventLoopGroup** 主要的逻辑都在这个 MultithreadEventExecutorGroup 的构造函数里面。下面来对构造函数代码段进行分析。

2.1 Executor的设置

image.png

没有传入Exector的情况下，创建Netty实现的ThreadPerTaskExecutor，也可以使用Jdk的Executor实现

Tips: new NioEventLoopGroup(2,Executors.newFixedThreadPool(10))

看一下 ThreadPerTaskExecutor 实现：

image.png

直接实现了Executor接口，整个实现比较简单。

Tips: 想一下如果使用Jdk的Executor实现，NioEventLoopGroup线程数量大于Jdk的Executor实现线程池数量会怎么样？

new NioEventLoopGroup(3,Executors.newFixedThreadPool(2))

后续的文章会专门讲解整个问题

2.2 EventExecutor的创建

image.png

创建EventExecutor, 上图调用的是一个 MultithreadEventExecutorGroup#newChild 的抽象方法。看具体的实现类实现：

image.png

我们就以NioEventLoopGroup 为例：

image.png

这里创建了一个 NioEventLoop 。

Tips: 这个和之前说的EventLoopGroup聚合了EventLoop

从上面创建EventExecutor可以看出来，最终创建的是NioEventLoop 。从继承关系可以知道 NioEventLoop 实现了 EventExecutor。

2.3 EventExecutorChooser选择器创建

image.png

选择器创建根据 EventExecutor 的数量。

image.png

2的指数选择PowerOfTwoEventExecutorChooser 。 其他的选择 GenericEventExecutorChooser 。

image.png

两者的区别就在于2的指数使用的 & 正常的使用的是 %

Tips: &效率高于%

创建完成EventExecutor后，同时对EventExecutor数组进行处理成不能修改的Set<EventExecutor>

3. BossGroup如何工作

主从的线程模式下，BossGroup 主要负责事件轮询，下面来分析一下如何进行工作的

3.1 BossGroup线程启动

通过服务端的例子，通过研究源码可以知道 AbstractBootstrap#initAndRegister 方法主要是创建 Channel

image.png

上述代码的标号3，BossGroup注册Channel也是启动线程的关键，跟进代码往下看，ChannelFuture regFuture = config().group().register(channel); 代码的 register 方法调用的是 MultithreadEventLoopGroup#register 的方法：

//MultithreadEventLoopGroup#register方法  
@Override
public ChannelFuture register(Channel channel) {
  return next().register(channel);
}

但是最终调用的是 SingleThreadEventLoop#register ：

@Override
public ChannelFuture register(Channel channel) {
    return register(new DefaultChannelPromise(channel, this));
}

@Override
public ChannelFuture register(final ChannelPromise promise) {
    ObjectUtil.checkNotNull(promise, "promise");
    promise.channel().unsafe().register(this, promise);
    return promise;
}

Tips: MultithreadEventLoopGroup对应EventLoopGroup，SingleThreadEventLoop对应EventLoop

promise.channel().unsafe().register(this, promise) 这里的this表示的是 NioEventLoop的实例，也就是把NioEventLoop作为参数传入了。调用的是AbstractChannel.AbstractUnsafe#register :

image.png

上图代码段框出来的就是 EventLoop启动，跟进代码看一下具体的实现，execute方法具体执行的是 SingleThreadEventExecutor#execute

image.png

Tips: 通过查看SingleThreadEventExecutor源码你会发现，有一个Thread的属性。所以这里SingleThreadEventExecutor就相当于线程。只是对线程进行包装语义化

在线程没有在EventLoop中，就启动当前线程通过调用SingleThreadEventExecutor#startThread 方法。 在这个方法里面又调用了SingleThreadEventExecutor#doStartThread 方法。

image.png

1通过了Executor来执行下面的Runable代码，前面的 EventLoopGroup 创建可以知道，在默认的情况下使用的是 ThreadPerTaskExecutor ，而这个ThreadPerTaskExecutor#execute 方法的实现：

public final class ThreadPerTaskExecutor implements Executor {
    private final ThreadFactory threadFactory;

    public ThreadPerTaskExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
        this.threadFactory = ObjectUtil.checkNotNull(threadFactory, "threadFactory");
    }

    @Override
    public void execute(Runnable command) {
        threadFactory.newThread(command).start();
    }
}

直接创建线程然后启动。

重点：看到这里你就会发现EventLoopGroup中的EventLoop已经启动了。然后在Runable中 thread = Thread.currentThread();这段代码将当前的线程设置给了SingleThreadEventExecutor变量

Tips:

  • Executor如果是JDK的实现，Executor执行Runable其实就是线程池执行
  • 事件轮询方法是一个死循环来实现。以达到不停的轮询的目的

3.2 BossGroup轮询事件

通过上面的分析可以知道Executor执行的Runable中的 SingleThreadEventExecutor.this.run() 这段代码就是对事件进行轮询。以NioEventLoopGroup 为例，那么这方法的实现应该就是在 NioEventLoop 下面来分析这个方法。

说到轮询我们应该想到就有循环的过程，下面看一下 NioEventLoop#run 方法：

image.png

从代码可以看出来，使用的是一个无条件的for死循环来实现。进入for循环后，通过策略来计算出策略值，根据不同的策略值来做相对应的处理：

image.png

1 计算出策略，第一次进入的时候strategy=0,为什么会是0，下面看一下SelectStrategy 的实现类 DefaultSelectStrategy 也只有这一个实现

final class DefaultSelectStrategy implements SelectStrategy {
    static final SelectStrategy INSTANCE = new DefaultSelectStrategy();

    private DefaultSelectStrategy() { }

    @Override
    public int calculateStrategy(IntSupplier selectSupplier, boolean hasTasks) throws Exception {
        return hasTasks ? selectSupplier.get() : SelectStrategy.SELECT;
    }
}

selectSupplier.get() 这个对于 NioEventLoop 来说调用的是：

//NioEventLoop
private final IntSupplier selectNowSupplier = new IntSupplier() {
    @Override
    public int get() throws Exception {
        return selectNow();
    }
};

int selectNow() throws IOException {
    return selector.selectNow();
}

在Channel初始化的时候Selector注册的感兴趣的值为0。所以selector.selectNow() 返回的也是0。

在队列中没有任务的时候就返回 SelectStrategy.SELECT 然后执行的就是上图代码标号2的逻辑代码：

private int select(long deadlineNanos) throws IOException {
    if (deadlineNanos == NONE) {
        return selector.select();   //(1)
    }
    // Timeout will only be 0 if deadline is within 5 microsecs
    long timeoutMillis = deadlineToDelayNanos(deadlineNanos + 995000L) / 1000000L;
    return timeoutMillis <= 0 ? selector.selectNow() : selector.select(timeoutMillis);
}

在定时队列任务中没有任何任务，那就直接调用 （1）selector.select() 如果没有事件触发，就一直阻塞。 如果存在其他的情况就调用 selector.selectNow() 或者 selector.select(timeoutMillis) ，前一个直接返回，第二个等待一定时间没有事件触发就返回。

到了这里轮询的过程就已经基本上完成，获取到了策略值strategy，剩下的就是对策略值进行处理，也就是事件的分发

3.3 EventLoop事件处理

下图这段代码就是 NioEventLoop#run 方法中处理I/O事件：

image.png

如上图代码段标号1和标号2两者大体都是处理I/O事件以及执行任务队列中的任务。跟进processSelectedKeys方法看一下：

private void processSelectedKeys() {
    if (selectedKeys != null) {
        processSelectedKeysOptimized();
    } else {
        processSelectedKeysPlain(selector.selectedKeys());
    }
}

当中有两个方法，但是最终调用的是NioEventLoop#processSelectedKey方法(其中的一个分支)：

image.png

在这个方法中就有I/O事件的处理：

  • 连接处理
  • 写处理
  • 读处理

到这里就看到了EventLoop的是如何处理I/O事件

Tips: 里面的具体处理细节不去深究

在前面图的标号3的作用是用来做什么的呢？代码后面的注释：不希望唤醒，这里就是JDK的NIO的空轮询的Bug

Tips: 空轮询的bug可以参看如下链接

image.png

Netty通过计数器来判断是否发生了空轮询，如果发生了那么就重新构建Selector。

4. WorkerGroup如何工作

在创建Channel的时候，初始化调用的是ServerBootstrap#init 方法：

image.png

然后在ChannelPipeline 末尾增加了一个 ServerBootstrapAcceptor

image.png

从代码中看到有这样的一段代码：

childGroup.register(child).addListener(new ChannelFutureListener() {
                    @Override
                    public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {
                        if (!future.isSuccess()) {
                            forceClose(child, future.cause());
                        }
                    }
                });

childGroup就是前面例子中的workerGroup变量，childGroup.register 和 BossGroup的一样，只不过这个是多个线程的。后续的处理和前面分析的一样。

5. 总结

  • EventLoopGroup组件是一个很重要的组件，代码也很复杂。但是只要抓住一点EventLoopGroup就相当于Netty的Jdk执行器Executor的一个实现就可以了。相当于线程池。
  • Netty通过巧妙的设计避免了Jdk的空轮询问题。
  • 开发过程中主从线程模型用的比较多。

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