Netty源码系列之 bind绑定流程源码

Netty框架总览

Netty是一个基于NIO异步通信框架

Netty框架是由许多组件，优化的数据结构所构建成。

正是通过灵活的组件构建，优化后的数据结构，进而才能保证Netty框架面对高并发场景具有一定的能力

Netty相关组件

Netty重要的组件有：Channel，EventLoop，Unsafe，ChannelPipeline，Bootstrap，ServerBootstrap等

Channel：

Netty最核心的组件为：Channel

1.通过Channel管道可以设置自定义封装的参数，也可以设置TCP-操作系统级别的参数【TCP参数通常在linux等OS操作系统配置文件中可以设置】，在Netty中，这些TCP参数通常以SO_xxxx开头的

2.Channel同样是Netty框架各个组件结构的串联者

EventLoop：

EventLoop实际上是一个独立的线程，是一个单线程池

你可以把它视作是一个类似于new Thread()创建的线程，但是EventLoop更加贴合Netty体系。EventLoop可以处理连接操作，IO操作，普通任务，定时任务。

Unsafe：

Unsafe是线程不安全的。它提供了直接访问底层数据的能力，用于高效地进行网络数据的读写操作。Unsafe主要用于解决Java NIO中的一些性能瓶颈和限制

Channel的流转通信需要EventLoop线程去做，Channel的IO读写需要Unsafe具体去做，无论是EventLoop还是Unsafe，都是围绕着Channel去做工作的。

当管道Channel建立完成后，后续引入ChannelPipeline体系处理工作：

ChannelPipeline：

该组件包含ChannelContext和ChannelHandler。

ChannelHandler是我们日常程序员开发最重要，打交道最多的地方。

Bootstra，ServerBootstrap：

后续再通过Bootstrap，ServerBootstrap进行整合Channel，EventLoop，Unsafe，ChannelPipeline等。

优化的数据结构

优化的数据结构包括：Selector，FastThreadLocal，HashWheelTimer等

Selector：

Netty的Selector就是一个IO多路复用器，但是Netty的Selector相对于JavaNIO中原生的Selector而言，做了性能优化。JavaNIO的Selector底层是基于Set集合的，但是Netty的Selector是基于数组的

FastThreadLocal：

在多线程环境下，你一定会需要ThreadLocal做线程数据独享的，但是Java体系的ThreadLocal存在性能瓶颈。在高并发多线程环境下，Netty使用FastThreadLocal这一数据结构优化原生的ThreadLocal，能够更加应对高并发多线程的场景

HashWheelTimer：

HashWheelTimer和Timer一样，都是存储定时任务的数据结构，然后到特定时刻后，就会触发调度相对应的定时任务。比如说：19点51分需要调度定时任务1，而19点52分需要调度定时任务2。

该数据结构也是对Java原生数据结构Timer的优化。原生的Timer是基于二叉树的，对每一个加入的定时任务的调度时间控制的十分精确。但是HashWheelTimer是基于哈希时间轮[一个环形的数组]，HashWheelTimer降低了对定时任务的调度的精度，但是极大的优化了性能。【具体见之后的讲解或之前的总结】

从服务端启动类的源码开始分析bind源码

NIO方式编写服务端程序

  //方式1：使用NIO进行编写服务器端

        //Selector对象会被封装到EventLoop类的成员变量，在构造方法中进行初始化
        Selector selector = Selector.open();

        //完成ServerSocketChannel创建的过程---->【初始化操作】
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);

        //完成ServerSocketChannel注册的工作---->【注册操作】
        SelectionKey selectionKey = serverSocketChannel.register(selector, 0, null);
        //设置事件
        selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
        //断开绑定的工作
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8000));

Netty方式编写服务端程序

 //方式2：使用Netty编写服务端
        ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
        serverBootstrap.channel(NioServerSocketChannel.class);
        serverBootstrap.group(new NioEventLoopGroup());
        serverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
            @Override
            protected void initChannel(NioSocketChannel ch) throws Exception {
                ch.pipeline().addLast(new LoggingHandler());
            }
        });
        Channel channel = serverBootstrap.bind(8000).sync().channel();
        channel.closeFuture().sync();

对比NIO与Netty的编码：

1.原有的NIO代码在netty编程“消失”---》 NIO代码被Netty封装了起来。

2.Netty中组件NioServerSocketChannel 作用：首先它是一个Channel，Channel是各个组件的串联者，Channel同样是Pipeline的管理者。

先抛出结论：

Netty是NIO代码的封装。

NIO代码和Netty毫无关系，那么Netty的NioServerSocketChannel如何和Nio体系整合的呢？是通过serverSocketChannel.register(selector,0,附件对象)，把NioServerSocketChannel传入到附件对象所在的位置，通过附件机制进行绑定整合的。【后续会验证】

NioServerSocketChannel体系图：

父类AbstractNioMessageChannel：

继承该类使得NioServerSocketChannel具有读写操作Netty的网络数据的能力，当然它的底层是通过Unsafe为基础进行网络读写的。

接口AttributeMap：该接口用于在netty中给Channel(SSC或SC)设置属性，所谓属性就是一系列的参数，参数包括netty自定义的参数或TCP-OS系统级别的参数。其实就是一个Map，key键值存储参数名，value值存储的是参数名所对应的参数值。

提出问题：

既然说Netty会封装NIO的代码，那么NIO代码都被封装到哪里了？

如下：

还是那个问题：NIO与Netty毫无关系，那么最核心的NioServerSocketChannel如何和NIO整合的？

根据上述那个结论：通过SelectionKey selectionKey = serverSocketChannel.register(selector, 0, null)这句NIO代码的附件机制传递NioServerSocketChannel给Netty体系，完成整合，后续debug源码会看到的。

doBind源码之ServerSocketChannel的初始化过程，注册过程源码

从serverBootstrap.bind(8000).sync().channel()这句代码开始debug源码

测试代码如下：

package com.messi.netty_source_03.Test01;

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.Channel;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
import io.netty.handler.logging.LoggingHandler;

/**
 * @Description TODO
 * @Author etcEriksen
 * @Date 2024/1/5 17:08
 * @Version 1.0
 */
public class NettyServer {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        EventLoopGroup eventLoopGroup = new NioEventLoopGroup();

        ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
        serverBootstrap.channel(NioServerSocketChannel.class);
        serverBootstrap.group(eventLoopGroup);
        serverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
            @Override
            protected void initChannel(NioSocketChannel ch) throws Exception {
                ch.pipeline().addLast(new LoggingHandler());
            }
        });
        Channel channel = serverBootstrap.bind(8000).sync().channel();
        channel.closeFuture().sync();
    }

}

源码debug流程：

2.final ChannelFuture regFuture = initAndRegister();

initAndRegister()是异步方法，异步结果使用ChannelFuture接收，ChannelFuture就是底层的promise。该异步结果是如何设置的？异步开启的新线程进行执行对应的业务逻辑，让该异步线程会设置异步执行的结果给promise。main主线程接收到异步线程设置的promise，并且以ChannelFuture类型的regFuture进行接收。

3.进入initAndRegister();方法

4.channelFactory.newChannel()：创建NioServerSocketChannel对象

5.进入init(channel)方法：完成NioServerSocketChannel的初始化

6.ChannelFuture regFuture = config().group().register(channel)

进而group方法：分配创建一个EventLoopGroup线程池

进入register方法：

此时线程栈也会切换到新创建的NioEventLoop线程

进入register0方法：

进入doRegister方法：该方法就是把当前NioServerSocketChannel对象注册到当前异步开启的新线程NioEventLoop的Selector多路复用器上

进入pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded()方法：

进入safeSetSuccess方法：

doBind源码之bind源码核心绑定流程

从serverBootstrap.bind(8000).sync().channel()这句代码开始debug源码

public class NettyServer {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        EventLoopGroup eventLoopGroup = new NioEventLoopGroup();

        ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
        serverBootstrap.channel(NioServerSocketChannel.class);
        serverBootstrap.group(eventLoopGroup);
        serverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
            @Override
            protected void initChannel(NioSocketChannel ch) throws Exception {
                ch.pipeline().addLast(new LoggingHandler());
            }
        });
        Channel channel = serverBootstrap.bind(8000).sync().channel();
        channel.closeFuture().sync();
    }

}

过程如下：

5.进入bind方法

6.进入invokeBind

10.不再继续深入追了，一步步回退一下

11.

12.

13.进入readIfIsAutoRead方法

14.

15.

14.重点：完成通道对应【SelectionKey的创建和相关事件的注册】

详细说说SelectionKey：

这里其实还是封装的NIO代码。但是Netty做了很多优化，比如说在存储SelectionKey时，Netty使用的是数组进行存储，而NIO使用的是Set进行存储。

言归正传，SelectionKey是啥？比如说：当一个服务端启动并且注册，则是你把一个ServerSocketChannel注册到Selector上并且注册Accepte连接事件，此时Netty就会给你分配一个SelectionKey，该SelectionKey就是用于标识这个channel通道和该通道注册监听的事件的。同理如果该服务端监控到连接Accept事件的发生，那么SSC会给每一个客户端连接对应分配一个SocketChannel对象，我们同样会把SocketChannel对象注册到Selector上并且注册监听read或write事件，此时Netty也会对应给该SocketChannel分配一个SelectionKey用于标识该channel并且注册监听该事件。

当一个服务端接收多个客户端连接时，SSC会分配多个SC对象，那么多个SC对象注册到Selector则会产生多个SelectionKey，每一个客户端连接对应一个SelectionKey。但是只有一个服务端并且只注册到Selector一次，所以服务端只对应一个SelectionKey。