Netty源码学习3——Channel ，ChannelHandler，ChannelPipeline

阅读原文时间：2023年08月28日阅读：6

在Netty源码学习2——NioEventLoop的执行中，我们学习了NioEventLoop是如何进行事件循环以及如何修复NIO 空轮询的bug的，但是没有深入了解IO事件在netty中是如何被处理的，下面我们以服务端demo代码为例子，看下和IO事件处理密切的Channel

如上在编写netty 服务端的时候，我们一般只需要指定Channel类型，以及实现ChannelHandler在对应方法中编写业务逻辑代码即可。

在Netty中，NioEventLoop是事件的调度中心，它控制了Io事件和其他任务的调度，但是io事件的处理是依赖ChannelHandler的，多个ChannelHandler又由ChannelPipline组装成流水线依次执行

这篇博客我们以此为切入点，看看Channel是如何初始化的，如何和EventLoop关联起来的，后续看看ChannelPipline是如何组织ChannelHandler的。

Channel是Netty抽象出来的对网络I/O进行读写的相关接口，与JDK NIO中的Channel接口类似。Channel的主要功能有网络I/O的读写，绑定端口，客户端发起连接、主动关闭连接、获取通信双方网络地址等。

下面是NioServerSocketChannel，和NioSocketChannel的类图

ChannelOutboundInvoker：定义了bind，connect，disconnect，close等方法。
Channel：Netty抽象出来的对网络I/O进行读写的相关接口，其中有两个关键的方法

可看出EventLoop和Channel的关系——Channel是注册到EventLoop中的。

ChannelPipeline和Channel的关系——每一个Channel会分配一个ChannelPipline。
AbstractChannel：Channel基本的实现，在其中有几个重要的属性：
- unsafe：非jdk中的unsafe，这是netty定义的unsafe，其中定义了bind，connect等方法，在实际和网络打交道的时候会使用到
- DefaultChannelPipeline：ChannelPipeline的默认实现，这就是Channel分配的ChannelPipline
- EventLoop：此Channel注册到的EventLoop
AbstractNioChannel：使用Selector进行IO多路复用的Channel，其中有两个重要的属性

从此可与看出，Netty中的Nio Channel 和 jdk中Channel的关系，它们是一对一的

AbstractNioChannel拥有NIO的Channel，具备NIO的注册、连接等功能。但IO的读写交给了其子类。

AbstractNioByteChannel&AbstractNioMessageChannel

AbstractNioByteChannel是面向字节的，通常是客户端进行使用，AbstractNioMessageChannel面向消息，通过是服务端进行使用。为什么netty这样设计昵？

通常情况下，客户端只需要发送消息，因此直接将消息内容转换为字节流进行输出即可，这时候使用AbstractNioByteChannel更为合适。

服务端在接收到客户端的消息后，需要对消息进行解码、反序列化、处理等操作，这时候使用AbstractNioMessageChannel更为合适。因为AbstractNioMessageChannel提供了方便的消息处理功能，可以对收到的字节流进行解码、转换成特定的消息对象，并提供了方便的事件驱动机制，方便开发者对消息进行处理和管理。

例如，在自定义的RPC协议中，服务端需要解码和反序列化请求消息，调用相应的服务方法，并将响应消息转换为字节流输出。使用AbstractNioMessageChannel可以方便地处理这些消息读写操作，使用自定义的解码器和编码器可以将字节流转换为特定的消息对象，并且在ChannelHandler中实现业务逻辑，通过事件驱动机制方便地管理消息的读写和处理。

综上所述，AbstractNioByteChannel适合用于处理字节流数据，适合用于客户端。而AbstractNioMessageChannel适合用于处理消息，适合用于服务端

NioSocketChannel

NioSocketChannel是AbstractNioByteChannel的子类，NioSocketChannel封装了NIO中的SocketChannel，实现了IO的读写连接操作。Netty服务的每个连接都会生成一个NioSocketChannel对象。
NioServerSocketChannel

NioServerSocektChannel是AbstractNioMessageChannel的子类，一般是服务端进行使用，并且只负责监听Socket的接入，不关心IO读写。

客户端的NioSocketChannel实例化和注册流程与服务端类似

如上代码中，服务端指定了Channel类型，然后调用bind方法，在bind方法中会进行Channel的初始化+注册到EventLoop中

1.NioServerSocketChannel的实例化

在不指定ChannelFactory的时候，这里默认是ReflectiveChannelFactory，如同其名称一样，ReflectiveChannelFactory会使用反射的方式构建出Channel

随后会使用SelectorProvider#openServerSocketChannel创建出一个jdk原生的ServerSocketChannel。

然后调用父类构造器，设置Channel为非阻塞，并调用newUnsafe和newChannelPipeline实例化unsafe和channelPipeline

对于服务端来说这里newUnsafe产生的是NioMessageUnsafe，ChannelPipeline通常使用的是DefaultChannelPipeline

2.NioServerSocketChannel的初始化

初始化会将我们在ServerBootStrap中设置的参数设置到NioServerSocketChannel中

并向ChannelPipeline添加一个ServerBootstrapAcceptor，ServerBootstrapAcceptor和Netty的reactor模式有关，此类的作用后续进行学习。

3.NioServerSocketChannel的注册

随后会使用ServerBootStrap中的EventLoopGroup#register方法进行注册，这里的使用的EventLoopGroup是demo中指定的bossGroup

因为在Reactor模式中，bossGroup负责处理ACCEPT事件，单线程使用Selector监听多路IO的Accept事件，然后将这些套接字交给上面的WorkerGroup，so这里NioServerSocketChannel注册到bossGroup中

bossGroup并不会自己进行注册，而是使用next方法找到自己的小弟——EventLoop，进行注册

这里会使用到EventExecutorChooser进行选择EventLoop，Netty自带两种策略

如果EventLoopGroup中的EventLoop是2的幂次个，那么使用PowerOfTwoEventExecutorChooser

它使用取模在众多EventLoop中选择一个
如果EventLoopGroup中的EventLoop不是2的幂次个，那么使用GenericEventExecutorChooser，直接对EventLoop个数进行取模

选择完EventLoop后，会调用EventLoop的注册方法，最终会使用AbstractUnsafe#register，其中会先判断执行的线程是不是EventLoop线程，如果不是那么会将任务提交到EventLoop中执行，源码如下：

注册的即将当前Channel注册到Selector，并且attachment指定为当前Channel，这样NioEventLoop在进行IO多路复用的的时候，可通过attachment方法拿到当前Channel

注册结束后会使用ChannelPipeline触发channelRegistered事件，关于ChannelPipeline下一篇博客中进行学习。

在这一步，还会触发NioEventLoop线程的启动，进行事件循环，在一个死循环中使用Selector监听这个Channel的IO事件，并处理其他调度任务，异步任务。（如何启动NioEventLoop线程的——Netty源码学习2——NioEventLoop的执行#NioEventLoop的启动）

上面我们说到一个Channel的实例化会触发ChannelPipeline的实例化。ChannelPipeline 和 ChannelHandler 也是我们在平时应用开发的过程中打交道最多的组件，通常程序员使用Netty进行开发只需要将自己定义的ChannelHandler加入到ChannelPipeline中。

ChannelPipeline即是ChannelHandler的流水线，ChannelPipeline 可以看作是 ChannelHandler 的容器载体，它是由一组 ChannelHandler 实例组成的，内部通过双向链表将不同的 ChannelHandler 链接在一起，如下图所示。当有 I/O 读写事件触发时，ChannelPipeline 会依次调用 ChannelHandler 列表对 Channel 的数据进行拦截和处理。

1.ChannelHandlerContext

ChannelHandlerContext 用于保存 ChannelHandler 上下文，其包含了 ChannelHandler 生命周期的所有事件，如 connect、bind、read、flush、write、close 等。

2.ChannelInboundHandler 和 ChannelOutboundHandler

在客户端与服务端通信的过程中，数据从客户端发向服务端的过程叫出站，反之称为入站。数据先由一系列 InboundHandler 处理后入站，然后再由相反方向的 OutboundHandler 处理完成后出站。

3.DefaultChannelPipeline

DefaultChannelPipeline是netty中ChannelPipeline的默认实现，内部保存了HeadContext，和TailContext分别作为链表的头和尾

可以看到HeadContext即是ChannelOutboundInvoker（出站处理器）也是ChannelInboundInvoker（出站处理器），这是因为网络数据写入操作的入口就是由 HeadContext 节点完成的。HeadContext 作为 Pipeline 的头结点负责读取数据并开始传递入站事件，当数据处理完成后，数据会反方向经过各个 ChannelOutboundInvoker的处理，最终传递到 HeadContext。

而TailContext只实现了ChannelInboundInvoker，它是最后一个ChannelInboundInvoker，用于结束入站事件的传播。