高性能网络通信框架Netty-Netty客户端底层与Java NIO对应关系

5.1 Netty客户端底层与Java NIO对应关系

在讲解Netty客户端程序时候我们提到指定NioSocketChannel用于创建客户端NIO套接字通道的实例，下面我们来看NioSocketChannel是如何创建一个Java NIO里面的SocketChannel的。

首先我们来看NioSocketChannel的构造函数：

 public NioSocketChannel() {
 this(DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER);
 }

其中DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER定义如下：

 private static final SelectorProvider DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER = SelectorProvider.provider();

然后继续看

//这里的provider为DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER public NioSocketChannel(SelectorProvider provider) {
 this(newSocket(provider));
 }

其中newSocket代码如下：

 private static SocketChannel newSocket(SelectorProvider provider) {
 try {
 return provider.openSocketChannel();
 } catch (IOException e) {
 throw new ChannelException("Failed to open a socket.", e);
 }
 }

所以NioSocketChannel内部是管理一个客户端的SocketChannel的，这个SocketChannel就是讲Java NIO时候的SocketChannel,也就是创建NioSocketChannel实例对象时候相当于执行了Java NIO中：

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();

另外在NioSocketChannel的父类AbstractNioChannel的构造函数里面默认会记录队op_read事件感兴趣，这个后面当链接完成后会使用到：

 protected AbstractNioByteChannel(Channel parent, SelectableChannel ch) {
 super(parent, ch, SelectionKey.OP_READ);
 }

另外在NioSocketChannel的父类AbstractNioChannel的构造函数里面设置了该套接字为非阻塞的

protected AbstractNioChannel(Channel parent, SelectableChannel ch, int readInterestOp) {
 super(parent);
 this.ch = ch;
 this.readInterestOp = readInterestOp;
 try {
 ch.configureBlocking(false);
 } catch (IOException e) {
 ...
 }
 }

下面我们看Netty里面是哪里创建的NioSocketChannel实例，哪里注册到选择器的。
下面我们看下Bootstrap的connect操作代码：

 public ChannelFuture connect(InetAddress inetHost, int inetPort) {
 return connect(new InetSocketAddress(inetHost, inetPort));
 }

类似Java NIO传递了一个InetSocketAddress对象用来记录服务端ip和端口：

 public ChannelFuture connect(SocketAddress remoteAddress) {
 ...
 return doResolveAndConnect(remoteAddress, config.localAddress());
 }

下面我们看下doResolveAndConnect的代码：

private ChannelFuture doResolveAndConnect(final SocketAddress remoteAddress, final SocketAddress localAddress) {
 //(1) final ChannelFuture regFuture = initAndRegister();
 final Channel channel = regFuture.channel();

 if (regFuture.isDone()) {
 if (!regFuture.isSuccess()) {
 return regFuture;
 }
 //(2) return doResolveAndConnect0(channel, remoteAddress, localAddress, channel.newPromise());
 } 
 ...
 }
}

首先我们来看代码（1）initAndRegister：

 final ChannelFuture initAndRegister() {
 Channel channel = null;
 try {
 //(1.1)
 channel = channelFactory.newChannel();
 //(1.2)
 init(channel);
 } catch (Throwable t) {
 ...
 }
 //(1.3)
 ChannelFuture regFuture = config().group().register(channel);
 if (regFuture.cause() != null) {
 if (channel.isRegistered()) {
 channel.close();
 } else {
 channel.unsafe().closeForcibly();
 }
 }
}

其中（1.1）作用就是创建一个NioSocketChannel的实例，代码（1.2）是具体设置内部套接字的选项的。

代码（1.3)则是具体注册客户端套接字到选择器的，其首先会调用NioEventLoop的register方法，最后调用NioSocketChannelUnsafe的register方法：

public final void register(EventLoop eventLoop, final ChannelPromise promise) {
 ...
 AbstractChannel.this.eventLoop = eventLoop;

 if (eventLoop.inEventLoop()) {
 register0(promise);
 } else {
 try {
 eventLoop.execute(new Runnable() {
 @Override public void run() {
 register0(promise);
 }
 });
 } catch (Throwable t) {
 ...
 }
 }
 }

其中 register0内部调用doRegister，其代码如下：

 protected void doRegister() throws Exception {
 boolean selected = false;
 for (;;) {
 try {
 //注册客户端socket到当前eventloop的selector上
 selectionKey = javaChannel().register(eventLoop().unwrappedSelector(), 0, this);
 return;
 } catch (CancelledKeyException e) {
 ...
 }
 }
 }

到这里代码（1）initAndRegister的流程讲解完毕了，下面我们来看代码（2）的

 public final void connect(
 final SocketAddress remoteAddress, final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise) {
 ...
 try {
 ...

 boolean wasActive = isActive();
 if (doConnect(remoteAddress, localAddress)) {
 fulfillConnectPromise(promise, wasActive);
 } else {
 。。。
 }
 } catch (Throwable t) {
 ...
 }
 }

其中doConnect代码如下：

 protected boolean doConnect(SocketAddress remoteAddress, SocketAddress localAddress) throws Exception {
 ...
 boolean success = false;
 try {
 //2.1 boolean connected = SocketUtils.connect(javaChannel(), remoteAddress);
 //2.2 if (!connected) {
 selectionKey().interestOps(SelectionKey.OP_CONNECT);
 }
 success = true;
 return connected;
 } finally {
 if (!success) {
 doClose();
 }
 }
 }

其中2.1具体调用客户端套接字的connect方法，等价于Java NIO里面的。
代码2.2 由于connect 方法是异步的，所以类似JavaNIO调用connect方法进行判断，如果当前没有完成链接则设置对op_connect感兴趣。

最后一个点就是何处进行的从选择器获取就绪的事件的,具体是在该客户端套接关联的NioEventLoop里面的做的，每个NioEventLoop里面有一个线程用来循环从选择器里面获取就绪的事件，然后进行处理：

 protected void run() {
 for (;;) {
 try {
 ...
 select(wakenUp.getAndSet(false));
 ...
 processSelectedKeys();
 ...
 } catch (Throwable t) {
 handleLoopException(t);
 }
 ...
 }
 }

其中select代码如下：

 private void select(boolean oldWakenUp) throws IOException {
 Selector selector = this.selector;
 try {
 ...
 for (;;) {
 ...
 int selectedKeys = selector.select(timeoutMillis);
 selectCnt ++;

 ...
 } catch (CancelledKeyException e) {
 ...
 }
 }

可知会从选择器选取就绪的事件，其中processSelectedKeys代码如下：

 private void processSelectedKeys() {
 ...
 processSelectedKeysPlain(selector.selectedKeys());
 ...
 }

可知会获取已经就绪的事件集合，然后交给processSelectedKeysPlain处理，后者循环调用processSelectedKey具体处理每个事件，代码如下：

 private void processSelectedKey(SelectionKey k, AbstractNioChannel ch) {
 ...
 try {
 //(3)如果是op_connect事件 int readyOps = k.readyOps();
 if ((readyOps & SelectionKey.OP_CONNECT) != 0) {
 int ops = k.interestOps();
 ops &= ~SelectionKey.OP_CONNECT;
 k.interestOps(ops);
 //3.1
 unsafe.finishConnect();
 }
 //4 if ((readyOps & SelectionKey.OP_WRITE) != 0) {
 ch.unsafe().forceFlush();
 }
 //5 if ((readyOps & (SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_ACCEPT)) != 0 || readyOps == 0) {
 unsafe.read();
 }
 } catch (CancelledKeyException ignored) {
 unsafe.close(unsafe.voidPromise());
 }
 }

代码（3）如果当前事件key为op_connect则去掉op_connect，然后调用NioSocketChannel的doFinishConnect：

 protected void doFinishConnect() throws Exception {
 if (!javaChannel().finishConnect()) {
 throw new Error();
 }
 }

可知是调用了客户端套接字的finishConnect方法，最后会调用NioSocketChannel的doBeginRead方法设置对op_read事件感兴趣：

 protected void doBeginRead() throws Exception {
 ...
 final int interestOps = selectionKey.interestOps();
 if ((interestOps & readInterestOp) == 0) {
 selectionKey.interestOps(interestOps | readInterestOp);
 }
 }

这里interestOps为op_read,上面在讲解NioSocketChannel的构造函数时候提到过。

代码（5）如果当前是op_accept事件说明是服务器监听套接字获取到了一个链接套接字，如果是op_read,则说明可以读取客户端发来的数据了，如果是后者则会激活管线里面的所有handler的channelRead方法，这里会激活我们自定义的NettyClientHandler的channelRead读取客户端发来的数据，然后在向客户端写入数据。

5.2 总结

本节讲解了Netty客户端底层如何使用Java NIO进行实现的，可见与我们前面讲解的Java NIO设计的客户端代码步骤是一致的，只是netty对其进行了封装，方便了我们使用，了解了这些对深入研究netty源码提供了一个骨架指导。

原文发布时间为：2018-06-8

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