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network channel

2017年04月14日

前言

借用知乎上”者年”关于java nio技术栈的回答如何学习Java的NIO

  1. 计算机体系结构和组成原理 中关于中断,关于内存,关于 DMA,关于存储 等关键知识点
  2. 操作系统 中 内核态用户态相关部分, I/O 软件原理
  3. 《UNIX网络编程(卷1):套接字联网API(第3版)》([美]史蒂文斯,等)一书中 IO 相关部分。
  4. Java I/O底层是如何工作的?
  5. 存储之道 - 51CTO技术博客 中的《一个IO的传奇一生》
  6. Operating Systems: I/O Systems4.
  7. 多种I/O模型及其对socket效率的改进

根据这个思路,笔者整理了下相关的知识,参见java io涉及到的一些linux知识

服务端网络开发的基本套路

java nio channel

java源码中channel的注释:A nexus(连结、连系) for I/O operations。

不管是os提供的系统调用,还是c提供的一些库api,本质都是一系列函数,移植到java中需要一个对象来负责使用这些函数。PS:很多时候,作者在源码上的注释,本身就很精练、直接,比博客上的赘述要好很多。

Channel用于在字节缓冲区和位于通道另一侧的实体(通常是一个文件或套接字)之间有效地传输数据。

client server
java buffer <==> java channel <==> system socket send/receive buffer system socket send/receive buffer <==> java channel <==> java buffer

Java NIO Tutorial In the standard IO API you work with byte streams and character streams. In NIO you work with channels and buffers. Data is always read from a channel into a buffer, or written from a buffer to a channel.

channel的io操作本身是非阻塞的,要想不无的放矢,就要借助selector。

netty channel

A nexus to a network socket or a component which is capable of I/O operations such as read, write, connect, and bind.

  1. All I/O operations are asynchronous.
  2. Channels are hierarchical

下文以AbstractChannel为例来说明这个两个特点:

AbstractChannel{
	Unsafe unsafe;
	DefaultChannelPipeline pipeline;
	EventLoop eventLoop;
	
	
	ChannelFuture succeededFuture;
	CloseFuture closeFuture;
}

asynchronous

所有的io操作都是异步,那么有channelFuture就是理所当然了。因为即便是异步,也得告诉你什么时候写完了,什么时候读完了,以及r/w之后做什么,这时就需要一个nexus对象(callback或future)。并且,对于异步来说,可能A线程触发读操作,而实际处理读到数据的是B线程。

单纯的nio,是不支持异步的(channel只是搬运buffer罢了,你并不能告诉channel,数据写完了通知你一声儿),这就意味一系列的封装操作。并且netty channel不同方法的封装方式是不一样的。比如,AbstractChannel有一些future成员,为什么呢?read、write、connect等操作的future的返回是AbstractChannel具体负责io的unsafe、pipeline等成员负责。剩下的close(channel作为一个facade类,聚合了多个组件,close操作涉及到多个组件)等操作,由AbstractChannel亲自维护future。

hierarchical

Channels are hierarchical有以下个含义

  1. channel具有父子逻辑,比如一个socketChannel的父可能是一个serverSocketChannel
  2. channel有一套继承结构
  3. channel聚合了大量功能类,在接口层采用facade模式统一封装

从这里就可以看到,netty的channel不再是java nio channel那个只负责r/w操作的纯洁的小伙儿了,这个channel更应该叫Endpoint(Client/server)或channelFacade更合适。

ChannelPool

上层接口

  1. ChannelPoolHandler,Handler which is called for various actions done by the ChannelPool.ChannelPool的很多操作完成后会触发
  2. ChannelHealthChecker, Called before a Channel will be returned via ChannelPool.acquire() or ChannelPool.acquire(Promise). 在用户通过acquire方法获取channel的时候,确保返回的channel是健康的。
  3. ChannelPool,Allows to acquire and release Channel and so act as a pool of these.
  4. ChannelPoolMap,Allows to map ChannelPool implementations to a specific key.将channelpool映射到一个特殊的key上。这个key通常是InetSocketAddress,记一个地址映射多个channel。

     public interface ChannelPool extends Closeable {
         Future<Channel> acquire();
         Future<Channel> acquire(Promise<Channel> promise);
         Future<Void> release(Channel channel);
         Future<Void> release(Channel channel, Promise<Void> promise);
         void close();
     }
    

ChannelPool有两个简单实现simplechannelpool和FixedChannelPool,后者可以控制Channel的最大个数。但相对于common-pool,其在minActive,minIdle等控制上还是不足的。所以笔者在实现时,最终还是选择基于common-pool2实现基于netty的channel pool。

基于common-pool2实现基于netty的channel pool需要注意的是:

  1. 空闲Channel的连接保持。一个简单的解决方案是心跳机制,即向channel的pipeline中添加发送与接收心跳请求与响应的Handler。
  2. common-pool 池的存储结构选择先进先出的队列,而不是先进后出的堆栈。

channel 和 unsafe的关系

Unsafe operations that should never be called from user-code. These methods are only provided to implement the actual transport, and must be invoked from an I/O thread except for the following methods:localAddress(),remoteAddress(),closeForcibly(),register(EventLoop, ChannelPromise),voidPromise()

每一个channel都大体对应一个unsafe内部类/接口。

channel unsafe
Channel Unsafe
AbstractChannel AbstractUnsafe
AbstractNioChannel NioUnsafe,AbstractNioUnsafe
AbstractNioByteChannel NioByteUnsafe

netty channel作为对nio channel的增强,有两种增强方式:

  1. 继承nio channel。但java nio channel是spi类接口,扩展不易。
  2. 重写,在实际读写的位置调用nio channel,最简单的方案:包含

     write(buffer){
         business1
         java.nio.channel.write(buffer)
         business2
     }
    

而netty channel却采用了聚合的方式,将实际的读写交给unsafe,有以下几个好处:

  1. 不跟netty channel(作为facade)的其它代码、成员放在一起。unsafe更纯粹的组织读写代码。
  2. netty channel除了网络io,还有线程模型(eventloop)、数据处理模型(pipeline),rw代码交给unsafe后,netty读写就是unsafe、eventloop和pipeline的三国杀,netty channel在外边统筹兼顾。否则,netty channel和eventloop、pipeline就糅合在一起,纠缠不清了。

因此,理解netty channel,就要理解unsafe、pipeline和eventloop的三国杀。我们反过来想想,正是理清了这三者的关系,unsafe、pipeline和eventloop才有了自己的继承体系,最后被netty channel揉和在一起。

pipeline

A list of ChannelHandlers which handles or intercepts inbound events and outbound operations of a Channel. ChannelPipeline implements an advanced form of the Intercepting Filter pattern to give a user full control over how an event is handled and how the ChannelHandlers in a pipeline interact with each other.

inbound 的被称作events, outbound 的被称作operations。

Alt text

从这个图就可以佐证,pipeline作为数据处理模型,不介入io模型,也不介入线程模型。

eventloop

Netty 核心组件 EventLoop 源码解析

存在形式

使用红框标出了重点部分:PS: 下面的思维方式很重要

  1. ScheduledExecutorService 接口表示是一个定时任务接口,EventLoop 可以接受定时任务。
  2. EventLoop 接口:Netty 接口文档说明该接口作用:一旦 Channel 注册了,就处理该Channel对应的所有I/O 操作。
  3. SingleThreadEventExecutor 表示这是一个单个线程的线程池。

一个 EventLoop 将由一个永远都不会改变的Thread 驱动,同时任务(Runnable 或者 Callable)可以直接提交给 EventLoop 实现,以立即执行或者调度执行。根据配置和可用核心的不同,可能会创建多个 EventLoop 实例用以优化资源的使用,并且单个 EventLoop 可能会被指派用于服务多个 Channel(PS: 但一个channel只归属一个EventLoop,以线程安全)。

eventloop.execute(task) 实现,主要这段代码由调用线程执行

public void execute(Runnable task) {
    boolean inEventLoop = inEventLoop();
    if (inEventLoop) {
        addTask(task);
    } else {
        startThread();
        addTask(task);
        if (isShutdown() && removeTask(task)) {
            reject();
        }
    }
    if (!addTaskWakesUp && wakesUpForTask(task)) {
        wakeup(inEventLoop);
    }
}

首先判断该 EventLoop 的线程是否是当前线程,如果是,直接添加到任务队列中去,如果不是,则尝试启动线程(但由于线程是单个的,因此只能启动一次),随后再将任务添加到队列中去。如果线程已经停止,并且删除任务失败,则执行拒绝策略,默认是抛出异常。