Netty 源码解析 - pipeline源码剖析

一、基本说明

Netty 中的 ChannelPipeline、ChannelHandler 和 ChannelHandlerContext 是非常核心的组件，我们从源码来分析 Netty 是如何设计这三个核心组件的，并分析是如何创建和协调工作的。

二、三大核心组件介绍

2.1 三者关系

1、每当 ServerSocket 创建一个新的连接，就会创建一个 Socket，对应的就是目标客户端。
2、每一个新创建的 Socket 都将会分配一个全新的 ChannelPipeline（简称pipeline）。
3、每一个 ChannelPipeline 内部都含有多个 ChannelHandlerContext （简称Context）。
4、它们一起组成了双向链表，这些 Context 用于包装我们调用 addLast 方法时添加的 ChannelHandler（简称handler）

从图中可以看出，ChannelSocket 和 ChannelPipeline 是一对一的关联关系，而 pipeline 内部由多个 Context 形成了链表，Context 只是对 handler 的封装。
当有一个请求进来的时候，会进入 Socket 对应的 pipeline，并经过 pipeline 所有的 handler，这就是设计模式中的过滤器模式。

2.2 ChannelPipeline 作用及设计

可以看到 ChannelPipeline 接口继承了 Inbound、Outbound、Iterable 接口，表示它可以调用数据出站和入站的方法，同时也能遍历内部的链表，它的几个代表性的方法，基本上都是针对 handler 链表的插入、追加、删除、替换操作，类似是一个 LinkedList。同时，它也能够返回 channel：Channel channel()（也就是 socket）

1、在 pipeline 接口文档上，提供了一幅图
说明：

这是一个 handler 的 list，handler 用于处理或拦截入站事件和出站事件，pipeline 实现了过滤器的高级形式，以便用户控制事件如何处理 handler 在 pipeline 中的交互。
该图描述了一个典型的 handler 在 pipeline 中处理 I/O 事件的方式，I/O 事件由 InboundHandler 或者 outboundHandler 处理，并通过调用 ChannelHandlerContext.fireChannelRead 方法转发给其最近的处理程序。
如图所示，入站事件由入站处理程序以自下而上的方向处理。入站处理程序通常处理由图底部的 I/O 线程生成的入站数据。入站数据通常从 SocketChannel.read(ByteBuffer) 获取。
通常一个 pipeline 有多个 handler，例如，一个典型的服务器在每个通道的管道中都会有一下处理程序：协议解码器（将二进制数据转换为Java对象、协议编码器（将Java对象转换为二进制数据、业务逻辑处理程序。
注意：业务程序不能将线程阻塞，会影响 IO 的速度，进而影响整个 Netty 程序的性能。如果业务程序很快，就可以放在 IO 线程中，反之，需要异步执行。或者在添加 handler 的时候添加一个线程池，例如：

// 下面这个任务执行的时候，将不会阻塞 IO 线程，执行的线程来自 group 线程池
pipeline.addLast(group,"handler",new MyBusinessLogicHandler());

2.3 ChannelHandler 作用及设计

1、源码

public interface ChannelHandler {
	// 当把 ChannelHandler  添加到 pipeline 时被调用
	void handlerAdded(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception;
	// 当从 pipeline 中移除时被调用
	void handlerRemoved(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception;
	// 当处理过程中在 pipeline 发生异常时调用
	@Deprecated
    void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception;
}

2、ChannelHandler 的作用就是处理 IO 事件或拦截 IO 事件，并将其转发给下一个处理程序 ChannelHandler 。Handler 处理程序时分入站和出站，两个方向的操作都是不同的，因此，Netty 定义了两个子接口继承 ChannelHandler ：ChannelInboundHandler（入站事件接口）和 ChannelOutboundHandler（出站事件接口）
3、ChannelInboundHandler（入站事件接口）

channelActive：用于当 Channel 处于活动状态时被调用
channelRead：当从 Channel 读取数据时被调用
我们需要重写里面的方法，当发生关注的事件，需要在对应的方法实现业务逻辑，因为，当事件发生时，Netty 会回调对应的方法

4、ChannelOutboundHandler（出站事件接口）

bind：当请求将 Channel 绑定到本地地址时调用
close：当请求关闭 Channel 时调用
出站操作都是一些连接和写出数据类似的方法

5、ChannelDuplexHandler 处理出站和入站事件

ChannelDuplexHandler 间接实现了入站接口并且实现了出站接口
是一个通用的能够同时处理入站事件和出站事件的类

2.4 ChannelHandlerContext 作用及设计

ChannelHandlerContext 继承了出站方法调用接口和入站方法调用接口
1、ChannelInboundInvoker 和 ChannelOutboundInvoker 部分源码

这两个invoker 就是针对入站或出站方法来的，就是在入站或出站 handler 的外层再包装一层，达到在方法前后拦截并做一些特定操作的目的。

2、ChannelHandlerContext 部分源码

ChannelHandlerContext 不仅仅继承了ChannelInboundInvoker 和ChannelOutboundInvoker 的方法，同时也定义了一些自己的方法。
这些方法能够获取 Context 上下文环境中对应的数据，比如：channel、executor、handler、pipeline、内存分配器、关联的handler是否被删除。
Context 就是包装了 handler 相关的一切，以方便 Context 可以在 pipeline 中方便的操作 handler

2.5 pipeline、handler、context 创建过程

任何一个 ChannelSocket 创建的同时都会创建一个 pipeline
当用户或系统内部调用 pipeline 的 add**** 方法添加 handler 时，都会创建一个包装这个 handler 的 Context
这些 Context 在 pipeline 中组成了双向链表

1、Socket 创建的时候创建 pipeline，在 SocketChannel 的抽象父类 AbstractChannel 的构造方法中

protected AbstractChannel(Channel parent) {
	this.parent = parent;
	id = newId();
    unsafe = newUnsafe();
    pipeline = newChannelPipeline(); // 断点
}

通过debug，继续追踪到

protected DefaultChannelPipeline(Channel channel) {
    this.channel = ObjectUtil.checkNotNull(channel, "channel");
    succeededFuture = new SucceededChannelFuture(channel, null);
    voidPromise =  new VoidChannelPromise(channel, true);

    tail = new TailContext(this);
    head = new HeadContext(this);

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

将 channel 赋值给 channel 字段，用于 pipeline 操作 channel
创建了一个 future 和 promise，用于异步回调使用
创建一个 inbound 的 TailContext，创建一个既是 inbound 类型又是 outbound 类型的 HeadContext
最后，将两个 Context 互相连接，形成双向链表
TailContext 和 HeadContext 非常重要，所有的 pipeline 中的事件都会流经它们

2、在 add**** 添加处理器的时候创建 Context，可以看下 DefaultChannelPipeline 的 addLast 方法，代码如下：

@Override
public final ChannelPipeline addLast(EventExecutorGroup executor, ChannelHandler... handlers) {
    if (handlers == null) {
        throw new NullPointerException("handlers");
    }

    for (ChannelHandler h: handlers) {
        if (h == null) {
            break;
        }
        addLast(executor, null, h); // 进入
    }

    return this;
}

@Override
public final ChannelPipeline addLast(EventExecutorGroup group, String name, ChannelHandler handler) {
    final AbstractChannelHandlerContext newCtx;
    synchronized (this) {
        checkMultiplicity(handler);

        newCtx = newContext(group, filterName(name, handler), handler);

        addLast0(newCtx);

        // If the registered is false it means that the channel was not registered on an eventloop yet.
        // In this case we add the context to the pipeline and add a task that will call
        // ChannelHandler.handlerAdded(...) once the channel is registered.
        if (!registered) {
            newCtx.setAddPending();
            callHandlerCallbackLater(newCtx, true);
            return this;
        }

        EventExecutor executor = newCtx.executor();
        if (!executor.inEventLoop()) {
            newCtx.setAddPending();
            executor.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    callHandlerAdded0(newCtx);
                }
            });
            return this;
        }
    }
    callHandlerAdded0(newCtx);
    return this;
}

pipeline 添加 handler，参数是线程池，name 是 null，handler 是自定义或者系统传入的 handler。Netty 为了防止多个线程导致安全问题，同步了这段代码
检查这个 handler 实例是否是共享的，如果不是，并且已经被别的 pipeline 使用了，则抛出异常
调用 newContext(group, filterName(name, handler), handler) 方法，创建一个 Context。从这里可以看出，每次添加一个 handler 都会创建一个关联 Context
调用 addLast 方法，将 Context 追加到链表中
如果这个通道还没有注册到 selector 上，就将这个 Context 添加到这个 pipeline 的待办任务中。当注册好了以后，就会调用 callHandlerAdded0() 方法（默认是什么都不做，用户可以实现这个方法）
到这里，针对三个对象创建过程，了解的差不多了，和最初说的一样，每当创建 ChannelSocket 的时候都会创建一个绑定的 pipeline，一对一的关系，创建 pipeline 的时候也会创建 tail 节点和 head 节点，形成最初的链表。tail 是入站 inbound 类型的 handler，head 既是 inbound 也是 outbound 类型的 handler。在调用 pipeline 的 addLast 方法的时候，会根据给定的 handler 创建一个 Context，然后，将这个 Context 插入到链表的尾部（tail前面）

38、Netty 源码解析 - pipeline源码剖析