Netty源码分析 （五）----- 数据如何在 pipeline 中流动

在上一篇文章中，我们已经了解了pipeline在netty中所处的角色，像是一条流水线，控制着字节流的读写，本文，我们在这个基础上继续深挖pipeline在事件传播

Unsafe

顾名思义，unsafe是不安全的意思，就是告诉你不要在应用程序里面直接使用Unsafe以及他的衍生类对象。

netty官方的解释如下

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

Unsafe 在Channel定义，属于Channel的内部类，表明Unsafe和Channel密切相关

下面是unsafe接口的所有方法

interface Unsafe {
   RecvByteBufAllocator.Handle recvBufAllocHandle();

   SocketAddress localAddress();
   SocketAddress remoteAddress();

   void register(EventLoop eventLoop, ChannelPromise promise);
   void bind(SocketAddress localAddress, ChannelPromise promise);
   void connect(SocketAddress remoteAddress, SocketAddress localAddress, ChannelPromise promise);
   void disconnect(ChannelPromise promise);
   void close(ChannelPromise promise);
   void closeForcibly();
   void beginRead();
   void write(Object msg, ChannelPromise promise);
   void flush();

   ChannelPromise voidPromise();
   ChannelOutboundBuffer outboundBuffer();
}

按功能可以分为分配内存，Socket四元组信息，注册事件循环，绑定网卡端口，Socket的连接和关闭，Socket的读写，看的出来，这些操作都是和jdk底层相关

Unsafe 继承结构

NioUnsafe 在 Unsafe基础上增加了以下几个接口

public interface NioUnsafe extends Unsafe {
    SelectableChannel ch();
    void finishConnect();
    void read();
    void forceFlush();
}

从增加的接口以及类名上来看，NioUnsafe 增加了可以访问底层jdk的SelectableChannel的功能，定义了从SelectableChannel读取数据的read方法

Unsafe的分类

从以上继承结构来看，我们可以总结出两种类型的Unsafe分类，一个是与连接的字节数据读写相关的NioByteUnsafe，一个是与新连接建立操作相关的NioMessageUnsafe

NioByteUnsafe中的读：委托到外部类NioSocketChannel

protected int doReadBytes(ByteBuf byteBuf) throws Exception {
    final RecvByteBufAllocator.Handle allocHandle = unsafe().recvBufAllocHandle();
    allocHandle.attemptedBytesRead(byteBuf.writableBytes());
    return byteBuf.writeBytes(javaChannel(), allocHandle.attemptedBytesRead());
}

最后一行已经与jdk底层以及netty中的ByteBuf相关，将jdk的 SelectableChannel的字节数据读取到netty的ByteBuf中

NioMessageUnsafe中的读：委托到外部类NioSocketChannel

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

    if (ch != null) {
        buf.add(new NioSocketChannel(this, ch));
        return 1;
    }
    return 0;
}

NioMessageUnsafe 的读操作很简单，就是调用jdk的accept()方法，新建立一条连接

NioByteUnsafe中的写：委托到外部类NioSocketChannel

@Override
protected int doWriteBytes(ByteBuf buf) throws Exception {
    final int expectedWrittenBytes = buf.readableBytes();
    return buf.readBytes(javaChannel(), expectedWrittenBytes);
}

最后一行已经与jdk底层以及netty中的ByteBuf相关，将netty的ByteBuf中的字节数据写到jdk的 SelectableChannel中

pipeline中的head

NioEventLoop

private void processSelectedKey(SelectionKey k, AbstractNioChannel ch) {
     final AbstractNioChannel.NioUnsafe unsafe = ch.unsafe();
     //新连接的已准备接入或者已存在的连接有数据可读
     if ((readyOps & (SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_ACCEPT)) != 0 || readyOps == 0) {
         unsafe.read();
     }
}

NioByteUnsafe

@Override
public final void read() {
    final ChannelConfig config = config();
    final ChannelPipeline pipeline = pipeline();
    // 创建ByteBuf分配器
    final ByteBufAllocator allocator = config.getAllocator();
    final RecvByteBufAllocator.Handle allocHandle = recvBufAllocHandle();
    allocHandle.reset(config);

    ByteBuf byteBuf = null;
    do {
        // 分配一个ByteBuf
        byteBuf = allocHandle.allocate(allocator);
        // 将数据读取到分配的ByteBuf中去
        allocHandle.lastBytesRead(doReadBytes(byteBuf));
        if (allocHandle.lastBytesRead() <= 0) {
            byteBuf.release();
            byteBuf = null;
            close = allocHandle.lastBytesRead() < 0;
            break;
        }

        // 触发事件，将会引发pipeline的读事件传播
        pipeline.fireChannelRead(byteBuf);
        byteBuf = null;
    } while (allocHandle.continueReading());
    pipeline.fireChannelReadComplete();
}

同样，我抽出了核心代码，细枝末节先剪去，NioByteUnsafe 要做的事情可以简单地分为以下几个步骤

1. 拿到Channel的config之后拿到ByteBuf分配器，用分配器来分配一个ByteBuf，ByteBuf是netty里面的字节数据载体，后面读取的数据都读到这个对象里面
2. 将Channel中的数据读取到ByteBuf
3. 数据读完之后，调用 pipeline.fireChannelRead(byteBuf); 从head节点开始传播至整个pipeline
4. 最后调用fireChannelReadComplete();

这里，我们的重点其实就是 pipeline.fireChannelRead(byteBuf);

DefaultChannelPipeline

final AbstractChannelHandlerContext head;
//...
head = new HeadContext(this);

public final ChannelPipeline fireChannelRead(Object msg) {
    AbstractChannelHandlerContext.invokeChannelRead(head, msg);
    return this;
}

结合这幅图

可以看到，数据从head节点开始流入，在进行下一步之前，我们先把head节点的功能过一遍

HeadContext

final class HeadContext extends AbstractChannelHandlerContext
        implements ChannelOutboundHandler, ChannelInboundHandler {

    private final Unsafe unsafe;

    HeadContext(DefaultChannelPipeline pipeline) {
        super(pipeline, null, HEAD_NAME, false, true);
        unsafe = pipeline.channel().unsafe();
        setAddComplete();
    }

    @Override
    public ChannelHandler handler() {
        return this;
    }

    @Override
    public void handlerAdded(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        // NOOP
    }

    @Override
    public void handlerRemoved(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        // NOOP
    }

    @Override
    public void bind(
            ChannelHandlerContext ctx, SocketAddress localAddress, ChannelPromise promise)
            throws Exception {
        unsafe.bind(localAddress, promise);
    }

    @Override
    public void connect(
            ChannelHandlerContext ctx,
            SocketAddress remoteAddress, SocketAddress localAddress,
            ChannelPromise promise) throws Exception {
        unsafe.connect(remoteAddress, localAddress, promise);
    }

    @Override
    public void disconnect(ChannelHandlerContext ctx, ChannelPromise promise) throws Exception {
        unsafe.disconnect(promise);
    }

    @Override
    public void close(ChannelHandlerContext ctx, ChannelPromise promise) throws Exception {
        unsafe.close(promise);
    }

    @Override
    public void deregister(ChannelHandlerContext ctx, ChannelPromise promise) throws Exception {
        unsafe.deregister(promise);
    }

    @Override
    public void read(ChannelHandlerContext ctx) {
        unsafe.beginRead();
    }

    @Override
    public void write(ChannelHandlerContext ctx, Object msg, ChannelPromise promise) throws Exception {
        unsafe.write(msg, promise);
    }

    @Override
    public void flush(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        unsafe.flush();
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        ctx.fireExceptionCaught(cause);
    }

    @Override
    public void channelRegistered(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        invokeHandlerAddedIfNeeded();
        ctx.fireChannelRegistered();
    }

    @Override
    public void channelUnregistered(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ctx.fireChannelUnregistered();

        // Remove all handlers sequentially if channel is closed and unregistered.
        if (!channel.isOpen()) {
            destroy();
        }
    }

    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ctx.fireChannelActive();

        readIfIsAutoRead();
    }

    @Override
    public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ctx.fireChannelInactive();
    }

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        ctx.fireChannelRead(msg);
    }

    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ctx.fireChannelReadComplete();

        readIfIsAutoRead();
    }

    private void readIfIsAutoRead() {
        if (channel.config().isAutoRead()) {
            channel.read();
        }
    }

    @Override
    public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt) throws Exception {
        ctx.fireUserEventTriggered(evt);
    }

    @Override
    public void channelWritabilityChanged(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ctx.fireChannelWritabilityChanged();
    }
}

从head节点继承的两个接口看，TA既是一个ChannelHandlerContext，同时又属于inBound和outBound Handler

在传播读写事件的时候，head的功能只是简单地将事件传播下去，如ctx.fireChannelRead(msg);

在真正执行读写操作的时候，例如在调用writeAndFlush()等方法的时候，最终都会委托到unsafe执行，而当一次数据读完，channelReadComplete方法会被调用

pipeline中的inBound事件传播

我们接着上面的 AbstractChannelHandlerContext.invokeChannelRead(head, msg); 这个静态方法看，参数传入了 head，我们知道入站数据都是从 head 开始的，以保证后面所有的 handler 都由机会处理数据流。

我们看看这个静态方法内部是怎么样的：

static void invokeChannelRead(final AbstractChannelHandlerContext next, Object msg) {
    final Object m = next.pipeline.touch(ObjectUtil.checkNotNull(msg, "msg"), next);
    EventExecutor executor = next.executor();
    if (executor.inEventLoop()) {
        next.invokeChannelRead(m);
    } else {
        executor.execute(new Runnable() {
            public void run() {
                next.invokeChannelRead(m);
            }
        });
    }
}

调用这个 Context （也就是 head） 的 invokeChannelRead 方法，并传入数据。我们再看看head中 invokeChannelRead 方法的实现，实际上是在headContext的父类AbstractChannelHandlerContext中：

AbstractChannelHandlerContext

private void invokeChannelRead(Object msg) {
    if (invokeHandler()) {
        try {
            ((ChannelInboundHandler) handler()).channelRead(this, msg);
        } catch (Throwable t) {
            notifyHandlerException(t);
        }
    } else {
        fireChannelRead(msg);
    }
}

public ChannelHandler handler() {
    return this;
}

上面 handler()就是headContext中的handler,也就是headContext自身，也就是调用 head 的 channelRead 方法。那么这个方法是怎么实现的呢？

@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
    ctx.fireChannelRead(msg);
}

什么都没做，调用 Context 的 fire 系列方法，将请求转发给下一个节点。我们这里是 fireChannelRead 方法，注意，这里方法名字都挺像的。需要细心区分。下面我们看看 Context 的成员方法 fireChannelRead：

AbstractChannelHandlerContext

@Override
public ChannelHandlerContext fireChannelRead(final Object msg) {
    invokeChannelRead(findContextInbound(), msg);
    return this;
}

这个是 head 的抽象父类 AbstractChannelHandlerContext 的实现，该方法再次调用了静态 fire 系列方法，但和上次不同的是，不再放入 head 参数了，而是使用 findContextInbound 方法的返回值。从这个方法的名字可以看出，是找到入站类型的 handler。我们看看方法实现：

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

该方法很简单，找到当前 Context 的 next 节点（inbound 类型的）并返回。这样就能将请求传递给后面的 inbound handler 了。我们来看看 invokeChannelRead(findContextInbound(), msg);

static void invokeChannelRead(final AbstractChannelHandlerContext next, Object msg) {
    final Object m = next.pipeline.touch(ObjectUtil.checkNotNull(msg, "msg"), next);
    EventExecutor executor = next.executor();
    if (executor.inEventLoop()) {
        next.invokeChannelRead(m);
    } else {
        executor.execute(new Runnable() {
            public void run() {
                next.invokeChannelRead(m);
            }
        });
    }

}

上面我们找到了next节点（inbound类型的），然后直接调用 next.invokeChannelRead(m);如果这个next是我们自定义的handler,此时我们自定义的handler的父类是AbstractChannelHandlerContext，则又回到了AbstractChannelHandlerContext中实现的invokeChannelRead，代码如下：

AbstractChannelHandlerContext

private void invokeChannelRead(Object msg) {
    if (invokeHandler()) {
        try {
            ((ChannelInboundHandler) handler()).channelRead(this, msg);
        } catch (Throwable t) {
            notifyHandlerException(t);
        }
    } else {
        fireChannelRead(msg);
    }
}

public ChannelHandler handler() {
    return this;
}

此时的handler()就是我们自定义的handler了，然后调用我们自定义handler中的 channelRead(this, msg);

请求进来时，pipeline 会从 head 节点开始输送，通过配合 invoker 接口的 fire 系列方法，实现 Context 链在 pipeline 中的完美传递。最终到达我们自定义的 handler。

注意：此时如果我们想继续向后传递该怎么办呢？我们前面说过，可以调用 Context 的 fire 系列方法，就像 head 的 channelRead 方法一样，调用 fire 系列方法，直接向后传递就 ok 了。

如果所有的handler都调用了fire系列方法，则会传递到最后一个inbound类型的handler，也就是——tail节点，那我们就来看看tail节点

pipeline中的tail

final class TailContext extends AbstractChannelHandlerContext implements ChannelInboundHandler {

    TailContext(DefaultChannelPipeline pipeline) {
        super(pipeline, null, TAIL_NAME, true, false);
        setAddComplete();
    }

    @Override
    public ChannelHandler handler() {
        return this;
    }

    @Override
    public void channelRegistered(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { }

    @Override
    public void channelUnregistered(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { }

    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { }

    @Override
    public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { }

    @Override
    public void channelWritabilityChanged(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { }

    @Override
    public void handlerAdded(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { }

    @Override
    public void handlerRemoved(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { }

    @Override
    public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt) throws Exception {
        // This may not be a configuration error and so don't log anything.
        // The event may be superfluous for the current pipeline configuration.
        ReferenceCountUtil.release(evt);
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        onUnhandledInboundException(cause);
    }

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        onUnhandledInboundMessage(msg);
    }

    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { }
}

正如我们前面所提到的，tail节点的大部分作用即终止事件的传播(方法体为空)

channelRead

protected void onUnhandledInboundMessage(Object msg) {
    try {
        logger.debug(
                "Discarded inbound message {} that reached at the tail of the pipeline. " +
                        "Please check your pipeline configuration.", msg);
    } finally {
        ReferenceCountUtil.release(msg);
    }
}

tail节点在发现字节数据(ByteBuf)或者decoder之后的业务对象在pipeline流转过程中没有被消费，落到tail节点，tail节点就会给你发出一个警告，告诉你，我已经将你未处理的数据给丢掉了

总结一下，tail节点的作用就是结束事件传播，并且对一些重要的事件做一些善意提醒

pipeline中的outBound事件传播

上一节中，我们在阐述tail节点的功能时，忽略了其父类AbstractChannelHandlerContext所具有的功能，这一节中，我们以最常见的writeAndFlush操作来看下pipeline中的outBound事件是如何向外传播的

典型的消息推送系统中，会有类似下面的一段代码

Channel channel = getChannel(userInfo);
channel.writeAndFlush(pushInfo);

这段代码的含义就是根据用户信息拿到对应的Channel，然后给用户推送消息，跟进 channel.writeAndFlush

NioSocketChannel

public ChannelFuture writeAndFlush(Object msg) {
    return pipeline.writeAndFlush(msg);
}

从pipeline开始往外传播

public final ChannelFuture writeAndFlush(Object msg) {
    return tail.writeAndFlush(msg);
}

Channel 中大部分outBound事件都是从tail开始往外传播, writeAndFlush()方法是tail继承而来的方法，我们跟进去

AbstractChannelHandlerContext

public ChannelFuture writeAndFlush(Object msg) {
    return writeAndFlush(msg, newPromise());
}

public ChannelFuture writeAndFlush(Object msg, ChannelPromise promise) {
    write(msg, true, promise);

    return promise;
}

AbstractChannelHandlerContext

private void write(Object msg, boolean flush, ChannelPromise promise) {
    AbstractChannelHandlerContext next = findContextOutbound();
    final Object m = pipeline.touch(msg, next);
    EventExecutor executor = next.executor();
    if (executor.inEventLoop()) {
        if (flush) {
            next.invokeWriteAndFlush(m, promise);
        } else {
            next.invokeWrite(m, promise);
        }
    } else {
        AbstractWriteTask task;
        if (flush) {
            task = WriteAndFlushTask.newInstance(next, m, promise);
        }  else {
            task = WriteTask.newInstance(next, m, promise);
        }
        safeExecute(executor, task, promise, m);
    }
}

先调用findContextOutbound()方法找到下一个outBound()节点

AbstractChannelHandlerContext

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

找outBound节点的过程和找inBound节点类似，反方向遍历pipeline中的双向链表，直到第一个outBound节点next，然后调用next.invokeWriteAndFlush(m, promise)

AbstractChannelHandlerContext

private void invokeWriteAndFlush(Object msg, ChannelPromise promise) {
    if (invokeHandler()) {
        invokeWrite0(msg, promise);
        invokeFlush0();
    } else {
        writeAndFlush(msg, promise);
    }
}

调用该节点的ChannelHandler的write方法，flush方法我们暂且忽略，后面会专门讲writeAndFlush的完整流程

AbstractChannelHandlerContext

private void invokeWrite0(Object msg, ChannelPromise promise) {
    try {
        ((ChannelOutboundHandler) handler()).write(this, msg, promise);
    } catch (Throwable t) {
        notifyOutboundHandlerException(t, promise);
    }
}

可以看到，数据开始出站，从后向前开始流动，和入站的方向是反的。那么最后会走到哪里呢，当然是走到 head 节点，因为 head 节点就是 outbound 类型的 handler。

HeadContext

public void write(ChannelHandlerContext ctx, Object msg, ChannelPromise promise) throws Exception {
    unsafe.write(msg, promise);
}

调用了 底层的 unsafe 操作数据，这里，加深了我们对head节点的理解，即所有的数据写出都会经过head节点

当执行完这个 write 方法后，方法开始退栈。逐步退到 unsafe 的 read 方法，回到最初开始的地方，然后继续调用 pipeline.fireChannelReadComplete() 方法

总结

总结一下一个请求在 pipeline 中的流转过程：

1. 调用 pipeline 的 fire 系列方法，这些方法是接口 invoker 设计的，pipeline 实现了 invoker 的所有方法，inbound 事件从 head 开始流入，outbound 事件从 tail 开始流出。
2. pipeline 会将请求交给 Context，然后 Context 通过抽象父类 AbstractChannelHandlerContext 的 invoke 系列方法（静态和非静态的）配合 AbstractChannelHandlerContext 的 fire 系列方法再配合 findContextInbound 和 findContextOutbound 方法完成各个 Context 的数据流转。
3. 当入站过程中，调用 了出站的方法，那么请求就不会向后走了。后面的处理器将不会有任何作用。想继续相会传递就调用 Context 的 fire 系列方法，让 Netty 在内部帮你传递数据到下一个节点。如果你想在整个通道传递，就在 handler 中调用 channel 或者 pipeline 的对应方法，这两个方法会将数据从头到尾或者从尾到头的流转一遍。