Netty系列教程（四）Netty组件之Channel通道提起Channel，我们并不陌生，在JDK NIO中也有Cha

系列教程：

Netty系列教程（一）Netty是什么： juejin.cn/post/714169…
Netty系列教程（二）Netty架构设计剖析：juejin.cn/post/714191…
Netty系列教程（三）Netty组件之EventLoopGroup：juejin.cn/post/714197…
Netty系列教程（四）Netty组件之Channel通道：juejin.cn/post/714232…
Netty系列教程（五）Netty组件之ChannelPipeline与ChannelHandler：juejin.cn/post/714232…

Channel介绍

提起Channel，我们并不陌生，在JDK NIO中也有Channel通道的概念。Channel是网络通信的载体，提供了基本的用于I/O操作的API，如：register、bind、connect、read、write、flush等。

Netty的Channel是在JDK的NIO Channel基础上进行封装的，提供了更高层次的抽象，同时屏蔽了底层Socket的复杂性，赋予了Channel更加强大的功能。

Netty为什么不使用JDK NIO原生的Channel呢？主要是基于以下几个原因：

JDK中的SocketChannel和ServerSocketChannel没有统一的Channel接口供业务开发者使用，对于用户而言，没有统一的操作视图，使用起来并不方便
JDK中的SocketChannel和ServerSocketChannel的主要职责是网络I/O操作，由于它们是SPI类接口，由具体的虚拟机厂家来提供，所以通过继承SPI功能类来扩展其功能的难度很大；直接实现SocketChannel和ServerSocketChannel，其工作量和重新开发一个新的Channel功能更类是差不多的
Netty的Channel需要能够跟Netty的整体架构融合在一起，例如I/O模型、基于ChannelPipeLine的定制模型，以及基于元数据描述配置化的TCP参数等，这些JDK的SocketChannel和ServerSocketChannel都没有提供，需要重新进行封装
自定义的Channel，功能实现更加灵活

基于以上原因，Netty自行封装了Channel接口，来代替JDK NIO原生的Channel，使得Channel能够更好地适配Netty整体框架，并且其扩展性也更强。

在Netty中，提供了多种不同的Channel实现，主要的几种实现如下：

FileChannel：用于文件操作
SelectableChannel：用于网络连接，根据网络协议不同，可以分为：
- ServerSocketChannel和SocketChannle：用于TCP协议的数据读写，分别对应服务端和客户端的通道
- DatagramChannel：用于UDP协议的数据读写

Channel工作原理

一旦有客户端成功与服务端建立连接，将新建一个Channel与该客户端进行绑定
Channel从线程组NioEventloopGroup中获取一个NioEventloop，并注册到该NioEventloop，后续该Channel的生命周期内都与该NioEventloop绑定在一起
Channel同客户端进行网络连接、关闭和读写，生成对应的even事件，由Selector轮询到后，交给Worker线程组中的调度线程去执行

在不同的生命周期阶段，Channel会有不同的状态，并且能够在不同的状态之间进行流转和切换。

Channel的状态有四种：

ChannelUnregistered：已创建但还未被注册到监听器中
ChannelRegistered ：已注册到监听器EventLoop中
ChannelActive ：连接完成处于活跃状态，此时可以接收和发送数据
ChannelInactive ：非活跃状态，代表连接未建立或者已断开

Channel核心功能

我们先来看一下Channel接口的顶层定义：

public interface Channel extends AttributeMap, ChannelOutboundInvoker, Comparable<Channel> {
    ChannelId id();

    EventLoop eventLoop();

    Channel parent();

    ChannelConfig config();

    boolean isOpen();

    boolean isRegistered();

    boolean isActive();

    ChannelMetadata metadata();

    SocketAddress localAddress();

    SocketAddress remoteAddress();

    ChannelFuture closeFuture();

    boolean isWritable();

    long bytesBeforeUnwritable();

    long bytesBeforeWritable();

    Channel.Unsafe unsafe();

    ChannelPipeline pipeline();

    ByteBufAllocator alloc();

    Channel read();

    Channel flush();

    public interface Unsafe {
        Handle recvBufAllocHandle();

        SocketAddress localAddress();

        SocketAddress remoteAddress();

        void register(EventLoop var1, ChannelPromise var2);

        void bind(SocketAddress var1, ChannelPromise var2);

        void connect(SocketAddress var1, SocketAddress var2, ChannelPromise var3);

        void disconnect(ChannelPromise var1);

        void close(ChannelPromise var1);

        void closeForcibly();

        void deregister(ChannelPromise var1);

        void beginRead();

        void write(Object var1, ChannelPromise var2);

        void flush();

        ChannelPromise voidPromise();

        ChannelOutboundBuffer outboundBuffer();
    }
}

可以将Channel的功能大概分为两大类：

网络I/O操作：完成网络I/O的读写、连接关闭等操作
获取Channel通道元数据信息

网络I/O操作

针对网络I/O相关的方法如下：

    boolean isOpen();

    boolean isRegistered();

    boolean isActive();

    ChannelFuture closeFuture();

    boolean isWritable();

    long bytesBeforeUnwritable();

    long bytesBeforeWritable();

    Channel read();

    Channel flush();

对这些方法的介绍如下：

判断Channel通道状态：

isOpen()：判断当前Channel是否已经打开
isRegistered()：判断当Channel是否已经注册到NioEventLoop上
isActive()：判断当前Channel是否已经处于激活状态

操作：

read()：从当前的Channel中读取数据到第一个inbound缓冲区中，如果数据被成功读取，触发ChannelHandler.channelRead(ChannelHandlerContext, Object)事件，读取操作API调用完成之后，紧接着会触发ChannelHandler.channelReadComplete(ChannelHandlerContext)事件，这样业务的ChannelHandler可以决定是否需要继续读取数据。如果已经有读操作请求被挂起，则后续的读操作会被忽略。
flush()：将写入的数据刷入Channel

其他

    ChannelId id();

    EventLoop eventLoop();

    Channel parent();

    ChannelConfig config();
    
    ChannelMetadata metadata();

    SocketAddress localAddress();

    SocketAddress remoteAddress();
    
    ChannelPipeline pipeline();

Channel中的Unsafe

我们在Channel接口中可以看到内部定义了一个Unsafe类，并且里面定义了很多与Channel功能很像的方法，那这个类到底有什么用呢？

Channel接口中Unsafe接口的定义：

public interface Unsafe {
        Handle recvBufAllocHandle();

        SocketAddress localAddress();

        SocketAddress remoteAddress();

        void register(EventLoop var1, ChannelPromise var2);

        void bind(SocketAddress var1, ChannelPromise var2);

        void connect(SocketAddress var1, SocketAddress var2, ChannelPromise var3);

        void disconnect(ChannelPromise var1);

        void close(ChannelPromise var1);

        void closeForcibly();

        void deregister(ChannelPromise var1);

        void beginRead();

        void write(Object var1, ChannelPromise var2);

        void flush();

        ChannelPromise voidPromise();

        ChannelOutboundBuffer outboundBuffer();
    }

实际上Unsafe是Channel的一个辅助类，它不直接暴露给用户使用，它是Channel的一个辅助类，但是实际上Channel的网络I/O操作基本上都是由Unsafe负责实现的。

Unsafe继承关系如图：

Unsafe中的核心方法介绍：

register()：用于将当前Unsafe对应的Channel注册到EventLoop的多路复用器上，然后调用DefaultChannelPipeLine的fireChannelRegistered方法。如果Channel被激活，则调用DefaultChannelPipeLine的fireChannelActive方法
bind()：主要用于绑定指定的端口，对于服务端，用于绑定监听端口，可以设置backlog参数；对于客户端，主要用于指定客户端Channel的本地绑定Socket地址
connect()：首先获取当前的连接状态进行缓存，然后发起连接操作，如果连接成功，则返回true；如果没连接上，服务端没有返回ACK应答，连接结果不确定，返回false；连接失败的话直接抛出I/O异常
finishConnect方法()：客户端接收到服务端的TCP握手应答消息，通过SocketChannel的finishConnect方法对连接结果进行判断
disconnect()：用于客户端或者服务器主动关闭连接
close()：在链路关闭之前需要先判断是否处于刷新状态，如果处于刷新状态，说明还有消息尚未发送出去，需要等到所有消息发送完成后再关闭链路，因此将关闭操作封装成Runnable稍后再执行
write()：将消息添加到环形发送数组中，并不是真正的写Channel，真正的写入需要调用flush方法
flush()方法：将发送缓冲区中待发送的消息全部写入Channel中，并发送给通信方