网络编程Netty入门：责任链模式介绍

目录

• 责任链模式
• 责任链模式的简单实现
• Netty中的ChannelPipeline责任链
  • 服务端接收客户端连接
  • pipeline初始化
  • 入站事件和出站事件
  • Pipeline中的Handler
  • Pipeline、channel、EventLoop的关系
• 结束语

责任链模式

责任链模式为请求创建一个处理数据的链。

客户端发起的请求和具体处理请求的过程进行了解耦，责任链上的处理者负责处理请求，客户端只需要把请求发送到责任链就行了，不需要去关心具体的处理逻辑和处理请求在责任链中是怎样传递的。

想要深入的了解责任链模式，推荐看这篇文章：责任链模式的7种不同实现



假设需要组装一台电脑，假设装CPU、插内存卡、装硬盘、机箱这个过程是按照这个顺序的，那么客户只需要发送一个请求说：我需要组装一台电脑，然后其他的就不需要管了，责任链内部怎么处理和怎么传递到下一个节点，不需要进行关心。

责任链模式的简单实现

责任链模式的实现，需要4个关键要素：

1：处理器抽象类

2：处理器抽象类的具体实现类

3：保存和维护处理器信息的类

4：处理器执行的类

下面看一个简单的demo，基于责任链模式的思想：

public class PipelineDemo {

    //初始化链的头部
    public HandlerContext head = new HandlerContext(new AbstractHandler() {
        @Override
        void doHandler(HandlerContext context, Object arg) {
            context.runNext(arg);
        }
    });

    //开始执行
    public void request(Object arg) {
        this.head.handler(arg);
    }

    //添加节点到尾部
    public void addLast(AbstractHandler handler) {
        HandlerContext context = head;
        while (context.next != null) {
            context = context.next;
        }
        context.next = new HandlerContext(handler);
    }

    public static void main(String[] args) {
        PipelineDemo pipelineChainDemo = new PipelineDemo();
        pipelineChainDemo.addLast(new Handler2());
        pipelineChainDemo.addLast(new Handler1());
        pipelineChainDemo.addLast(new Handler1());
        pipelineChainDemo.addLast(new Handler2());

        // 发起请求
        pipelineChainDemo.request("火车呜呜呜~~");
    }

}

//处理器的信息，维护处理器
class HandlerContext {
    //下一个节点
    HandlerContext next;
    AbstractHandler handler;

    public HandlerContext(AbstractHandler handler) {
        this.handler = handler;
    }

    void handler(Object arg) {
        this.handler.doHandler(this, arg);
    }

    //执行下一个
    void runNext(Object arg) {
        if (this.next != null) {
            this.next.handler(arg);
        }
    }
}

//处理器抽象类
abstract class AbstractHandler {
    abstract void doHandler(HandlerContext context, Object arg);
}

//处理器的具体实现类
class Handler1 extends AbstractHandler {

    @Override
    void doHandler(HandlerContext context, Object arg) {
        arg = arg.toString() + "Handler1的小尾巴～～";
        System.out.println("Handler1的实例正在处理：" + arg);
        //执行下一个
        context.runNext(arg);
    }
}

//处理器的具体实现类
class Handler2 extends AbstractHandler {

    @Override
    void doHandler(HandlerContext context, Object arg) {
        arg = arg.toString() + "Handler2的小尾巴～～";
        System.out.println("Handler2的实例正在处理：" + arg);
        //执行下一个
        context.runNext(arg);
    }
}

输出结果：



上面的例子只是简单的实现，为了更好的了解责任链模式，下面看下Netty中责任链的具体实现

Netty中的ChannelPipeline责任链

服务端接收客户端连接

上一篇内容说了服务端channel初始化的过程，那么当有客户端连接过来或者客户端有数据过来，服务端是怎样进行读取的呢？

@Override
    protected void run() {
        for (;;) {
            try {
                try {
                    switch (selectStrategy.calculateStrategy(selectNowSupplier, hasTasks())) {
                    case SelectStrategy.CONTINUE:
                        continue;
                    case SelectStrategy.BUSY_WAIT:
                        // fall-through to SELECT since the busy-wait is not supported with NIO
                     //轮询，当客户端连接过来或者有数据就调用select
                    case SelectStrategy.SELECT:
                        select(wakenUp.getAndSet(false));

                        if (wakenUp.get()) {
                            selector.wakeup();
                        }
                        // fall through
                    default:
                    }
                } catch (IOException e) {

                }

                cancelledKeys = 0;
                needsToSelectAgain = false;
                final int ioRatio = this.ioRatio;
                if (ioRatio == 100) {
                    try {
                        processSelectedKeys();
                    } finally {
                        // Ensure we always run tasks.
                        runAllTasks();
                    }
                } else {
                    final long ioStartTime = System.nanoTime();
                    try {
                        processSelectedKeys();
                    } finally {
                    }
                }
            } catch (Throwable t) {
                handleLoopException(t);
            }

        }
    }

上面的代码是轮询看客户端有没有连接或者数据，有的话就会调用下面的方法：

private void processSelectedKeysOptimized() {
        for (int i = 0; i < selectedKeys.size; ++i) {
            final SelectionKey k = selectedKeys.keys[i];
            // null out entry in the array to allow to have it GC'ed once the Channel close
            // See https://github.com/netty/netty/issues/2363
            selectedKeys.keys[i] = null;

            final Object a = k.attachment();

            if (a instanceof AbstractNioChannel) {
                processSelectedKey(k, (AbstractNioChannel) a);
            } else {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                NioTask<SelectableChannel> task = (NioTask<SelectableChannel>) a;
                processSelectedKey(k, task);
            }

            if (needsToSelectAgain) {
                // null out entries in the array to allow to have it GC'ed once the Channel close
                // See https://github.com/netty/netty/issues/2363
                selectedKeys.reset(i + 1);

                selectAgain();
                i = -1;
            }
        }
    }

然后调用下面的方法：

private void processSelectedKey(SelectionKey k, AbstractNioChannel ch) {
        final AbstractNioChannel.NioUnsafe unsafe = ch.unsafe();

        try {
            // Also check for readOps of 0 to workaround possible JDK bug which may otherwise lead
            // to a spin loop
            if ((readyOps & (SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_ACCEPT)) != 0 || readyOps == 0) {
                unsafe.read();
            }
        } catch (CancelledKeyException ignored) {
            unsafe.close(unsafe.voidPromise());
        }
    }

上面的代码是源码删减后的一部分，着重看try里面的内容，就是说当有OP_ACCEPT或者OP_READ 事件的时候，就会调用unsafe.read()。



可以看到read有两个实现，NioMessageUnsafe是接收客户端连接时，调用里面的read方法，NioByteUnsafe是当客户端有数据可读时，调用里面的read方法，下面看下两个方法：

NioMessageUnsafe：

 @Override
public void read() {
    assert eventLoop().inEventLoop();
    final ChannelConfig config = config();
    final ChannelPipeline pipeline = pipeline();
    final RecvByteBufAllocator.Handle allocHandle = unsafe().recvBufAllocHandle();
    allocHandle.reset(config);

    boolean closed = false;
    Throwable exception = null;
    try {
        try {
            do {
                int localRead = doReadMessages(readBuf);
                if (localRead == 0) {
                    break;
                }
                if (localRead < 0) {
                    closed = true;
                    break;
                }

                allocHandle.incMessagesRead(localRead);
            } while (allocHandle.continueReading());
        } catch (Throwable t) {
            exception = t;
        }

        int size = readBuf.size();
        for (int i = 0; i < size; i ++) {
            readPending = false;
            pipeline.fireChannelRead(readBuf.get(i));
        }
        readBuf.clear();
        allocHandle.readComplete();
        pipeline.fireChannelReadComplete();

        if (exception != null) {
            closed = closeOnReadError(exception);

            pipeline.fireExceptionCaught(exception);
        }

        if (closed) {
            inputShutdown = true;
            if (isOpen()) {
                close(voidPromise());
            }
        }
    } finally {
        // Check if there is a readPending which was not processed yet.
        // This could be for two reasons:
        // * The user called Channel.read() or ChannelHandlerContext.read() in channelRead(...) method
        // * The user called Channel.read() or ChannelHandlerContext.read() in channelReadComplete(...) method
        //
        // See https://github.com/netty/netty/issues/2254
        if (!readPending && !config.isAutoRead()) {
            removeReadOp();
        }
    }
}

然后看下里面的doReadMessages方法：

@Override
 protected int doReadMessages(List<Object> buf) throws Exception {
     SocketChannel ch = SocketUtils.accept(javaChannel());

     try {
         if (ch != null) {
             buf.add(new NioSocketChannel(this, ch));
             return 1;
         }
     } catch (Throwable t) {
         logger.warn("Failed to create a new channel from an accepted socket.", t);

         try {
             ch.close();
         } catch (Throwable t2) {
             logger.warn("Failed to close a socket.", t2);
         }
     }

     return 0;
 }

第一行代码是NIO里的channel，接收客户端连接后，封装到了Netty的NioSocketChannel，断点调试：



能够看到，这里接收的是客户端连接的信息，当有客户端连接过来时，就会创建一个NioSocketChannel。

NioByteUnsafe：

下面部分的代码，是客户端有数据传输过来后，进行读取的

  @Override
  public final void read() {
        final ChannelConfig config = config();
        if (shouldBreakReadReady(config)) {
            clearReadPending();
            return;
        }
        final ChannelPipeline pipeline = pipeline();
        final ByteBufAllocator allocator = config.getAllocator();
        final RecvByteBufAllocator.Handle allocHandle = recvBufAllocHandle();
        allocHandle.reset(config);

        ByteBuf byteBuf = null;
        boolean close = false;
        try {
            do {
                byteBuf = allocHandle.allocate(allocator);
                allocHandle.lastBytesRead(doReadBytes(byteBuf));
                if (allocHandle.lastBytesRead() <= 0) {
                    // nothing was read. release the buffer.
                    byteBuf.release();
                    byteBuf = null;
                    close = allocHandle.lastBytesRead() < 0;
                    if (close) {
                        // There is nothing left to read as we received an EOF.
                        readPending = false;
                    }
                    break;
                }

                allocHandle.incMessagesRead(1);
                readPending = false;
                pipeline.fireChannelRead(byteBuf);
                byteBuf = null;
            } while (allocHandle.continueReading());

            allocHandle.readComplete();
            pipeline.fireChannelReadComplete();

            if (close) {
                closeOnRead(pipeline);
            }
        } catch (Throwable t) {
            handleReadException(pipeline, byteBuf, t, close, allocHandle);
        } finally {
            // Check if there is a readPending which was not processed yet.
            // This could be for two reasons:
            // * The user called Channel.read() or ChannelHandlerContext.read() in channelRead(...) method
            // * The user called Channel.read() or ChannelHandlerContext.read() in channelReadComplete(...) method
            //
            // See https://github.com/netty/netty/issues/2254
            if (!readPending && !config.isAutoRead()) {
                removeReadOp();
            }
        }
    }

pipeline.fireChannelRead(byteBuf)，先从客户端读取数据后，放到了这个pipeline里面，这个pipeline就是客户端的pipeline。

pipeline初始化

先看下类图：



在channel进行创建初始化的时候，最终会走到AbstractChannel中，在AbstractChannel构造函数中可以看到，在初始化channel的时候，会创建一个Pipeline：

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

protected DefaultChannelPipeline newChannelPipeline() {
    return new DefaultChannelPipeline(this);
}

创建的Pipeline是DefaultChannelPipeline，进入DefaultChannelPipeline类中查看：

final AbstractChannelHandlerContext head; //头部
final AbstractChannelHandlerContext tail; //尾部
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; //头部的下一个节点指向tail
     tail.prev = head; //尾部的上一个节点指向head
}

里面有head和tail，它们是AbstractChannelHandlerContext类：

volatile AbstractChannelHandlerContext next; //指向下一个节点
volatile AbstractChannelHandlerContext prev; //指向前一个节点

private final boolean inbound; //判断是否入站事件
private final boolean outbound; //判断是否出站事件

AbstractChannelHandlerContext类的子类DefaultChannelHandlerContext：

DefaultChannelHandlerContext初始化了ChannelHandler处理器

private final ChannelHandler handler;

    DefaultChannelHandlerContext(
            DefaultChannelPipeline pipeline, EventExecutor executor, String name, ChannelHandler handler) {
        super(pipeline, executor, name, isInbound(handler), isOutbound(handler));
        if (handler == null) {
            throw new NullPointerException("handler");
        }
        this.handler = handler;
    }

根据上面的源代码可以得到ChannelPipeline初始化后的内容，可以知道，ChannelPipeline中的处理器ChannelHandler并不是直接处在ChannelPipeline中，它还有一层ChannelHandlerContext进行包装，在ChannelPipeline中，根据源码可以知道，它有一个头部和一个尾部，都是ChannelHandlerContext，而ChannelHandlerContext中有next和prev分别指向下一个context和前一个context。

画出Pipeline初始化后的结构图：

入站事件和出站事件

pipeline保存了通道所有的处理器信息，在创建一个channel的时候，会创建一个这个channel专有的pipeline，入站事件和出站事件都会调用这个pipeline上面的处理器。

 private AbstractChannelHandlerContext findContextInbound() {
     AbstractChannelHandlerContext ctx = this;
     do {
         ctx = ctx.next;
     } while (!ctx.inbound);
     return ctx;
 }

 private AbstractChannelHandlerContext findContextOutbound() {
      AbstractChannelHandlerContext ctx = this;
      do {
          ctx = ctx.prev;
      } while (!ctx.outbound);
      return ctx;
  }

上面两个方法的作用，是判断下一个context是不是入站或者出站事件，是的话才往下传递数据

入站事件，是指I/O线程生成的入站数据，一般是服务端读取客户端数据时，会有的操作，还有客户端连接等

出站事件，一般指服务端往客户端写入数据，bind方法绑定端口也是出站事件

下面是入站事件和出站事件的具体定义：

1：入站事件inbound

事件	描述
fireChannelRegistered	channel注册事件
fireChannelUnregistered	channel解除注册事件
fireChannelActive	channel活跃事件，即channel已连接就绪，可以读写数据
fireChannelInactive	channel非活跃事件
fireExceptionCaught	异常事件
fireUserEventTriggered	用户自定义事件
fireChannelRead	channel读取事件
fireChannelReadComplete	channel读取完成事件
fireChannelWritabilityChanged	channel写状态变化事件

2：出站事件outbound

事件	描述
bind	端口绑定事件
connect	连接事件
disconnect	断开连接事件
close	关闭事件
deregister	解除注册事件
read	读事件，OP_READ注册到selector
write	写事件
writeAndFlush	写出数据事件

根据上面的表格可以看到，fire开头的都是入站事件，其他的一部分是出站事件，这里需要注意的是write写的时候，并没有写出数据到客户端，只有调用flush时，才是真正的把数据写出去。

@Override
public final ChannelPipeline fireChannelActive() {
    AbstractChannelHandlerContext.invokeChannelActive(head);
    return this;
}

@Override
public final ChannelPipeline fireChannelInactive() {
    AbstractChannelHandlerContext.invokeChannelInactive(head);
    return this;
}

 @Override
 public final ChannelFuture bind(SocketAddress localAddress) {
      return tail.bind(localAddress);
  }

  @Override
  public final ChannelFuture connect(SocketAddress remoteAddress) {
      return tail.connect(remoteAddress);
  }

根据上面的源码可以看到，入站事件都是从head头部开始，出站事件都是从tail尾部开始。

 public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
 System.out.println("收到客户端数据，还给客户端：" + msg);
    ctx.write(msg);
}

上面代码在入站的里面调用了write，这个时候出站，就不会从tail开始了，而是从当前的ChannelHandlerContext出站，调用ctx.channel().write()时，才会从tail开始出站。

下面说下Handler是什么，有什么用。

Pipeline中的Handler

先看下类图：

 bootstrap.group(bossGroup, workerGroup)
	.channel(NioServerSocketChannel.class)
	.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 100)
	.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
	  @Override
	  protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
	      ChannelPipeline p = socketChannel.pipeline();
	      p.addLast(handler);
	  }
});

在addLast上打断点，跟踪后进入DefaultChannelPipeline的方法：

@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()) {
            callHandlerAddedInEventLoop(newCtx, executor);
            return this;
        }
    }
    callHandlerAdded0(newCtx);
    return this;
}

private AbstractChannelHandlerContext newContext(EventExecutorGroup group, String name, ChannelHandler handler) {
     return new DefaultChannelHandlerContext(this, childExecutor(group), name, handler);
}

newContext方法，把ChannelHandler封装到了AbstractChannelHandlerContext 中。

ChannelInboundHandlerAdapter和ChannelOutboundHandlerAdapter适配器类，继承这两个类，就不需要去实现所有的handler接口中的方法了，可以实现自己想要的方法就行了。

下面看下具体的维护handler的方法：

方法名	描述
addFirst	最前面插入，插入head的下面
addLast	最后面插入，插入tail的上面
addBefore	插入指定的处理器前面
addAfter	插入指定的处理器后面
remove	移除指定的处理器
removeFirst	移除第一个处理器
removeLast	移除最后一个处理器
replace	替换掉指定的处理器

下面是channelRead方法的源码：

public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
    //创建channel
    final Channel child = (Channel) msg;
     //把处理器加入pipeline的下面
     child.pipeline().addLast(childHandler);

     setChannelOptions(child, childOptions, logger);

     for (Entry<AttributeKey<?>, Object> e: childAttrs) {
         child.attr((AttributeKey<Object>) e.getKey()).set(e.getValue());
     }

     try {
          //把Channel注册到selector
         childGroup.register(child).addListener(new ChannelFutureListener() {
             @Override
             public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {
                 if (!future.isSuccess()) {
                     forceClose(child, future.cause());
                 }
             }
         });
     } catch (Throwable t) {
         forceClose(child, t);
     }
 }

Pipeline、channel、EventLoop的关系

@Sharable注解，放在Handler类上，是指这个handler是共享的，可以重复的使用，如果不加这个注解，再次使用会报错。



一个EventLoop中可以有多个Channel，每个Channel中都有一个专属的ChannelPipeline，ChannelPipeline中有多个节点ChannelHandlerContext，ChannelHandlerContext中都会有一个处理器，处理器可以共享，也可以自己独有，head和tail是ChannelHandlerContext的头部和尾部，里面都有两个指针next、prev，指向下一个节点和上一个节点。

结束语

上面的内容主要是介绍Netty中的责任链相关的知识，下面会继续说下Netty中的ByteBuf内容