Netty写数据流程WriteAndFlush()及编码源码分析

编码器的执行时机

首先, 我们想通过服务端,往客户端发送数据, 通常我们会调用ctx.writeAndFlush(数据)的方式, 入参位置的数据可能是基本数据类型,也可能对象

其次,编码器同样属于handler,只不过他是特化的专门用于编码作用的handler, 在我们的消息真正写入jdk底层的ByteBuffer时前,数据需要经过编码处理, 不是说不进行编码就发送不出去,而是不经过编码,客户端可能接受到的是乱码

然后,我们知道,ctx.writeAndFlush(数据)它其实是出站处理器特有的行为,因此注定了它需要在pipeline中进行传递,从哪里进行传递呢? 从tail节点开始,一直传播到header之前的我们自己添加的自定义的解码器

WriteAndFlush()的逻辑

我们跟进源码WriteAndFlush()相对于Write(),它的flush字段是true

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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) {
            //todo 因为flush 为 true
            next.invokeWriteAndFlush(m, promise);
        } else {
            next.invokeWrite(m, promise);
        }

于是就会这样

  • 逐个调用handler的write()
  • 逐个调用handler的flush()
知道这一点很重要,这意味这我们知道了,事件传播分成两波进行, 一波write,一波flush, 这两波事件传播的大体流程我写在这里, 在下面

write

  • 将ByteBuf 转换成DirctBuffer
  • 将消息(DirctBuffer)封装进entry 插入写队列
  • 设置写状态

flush

  • 刷新标志,设置写状态
  • 变量buffer队列,过滤Buffer
  • 调用jdk底层的api,把ByteBuf写入jdk原生的ByteBuffer

自定义一个简单的编码器

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/**
 * @Author: Changwu
 * @Date: 2019/7/21 20:49
 */
public class MyPersonEncoder extends MessageToByteEncoder<PersonProtocol> {

    // todo write动作会传播到 MyPersonEncoder的write方法, 但是我们没有重写, 于是就执行 父类 MessageToByteEncoder的write, 我们进去看
    @Override
    protected void encode(ChannelHandlerContext ctx, PersonProtocol msg, ByteBuf out) throws Exception {
        System.out.println("MyPersonEncoder....");
        // 消息头  长度
        out.writeInt(msg.getLength());
        // 消息体
        out.writeBytes(msg.getContent());
    }
}

选择继承MessageToByteEncoder<T> 从消息到字节的编码器

继续跟进

ok,现在来到了我们自定义的 解码器MyPersonEncoder ,

但是,并没看到正在传播的writeAndFlush(),没关系, 我们自己的解码器继承了MessageToByteEncoder,这个父类中实现了writeAndFlush(),源码如下:解析写在源码后面

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// todo 看他的write方法
@Override
public void write(ChannelHandlerContext ctx, Object msg, ChannelPromise promise) throws Exception {
    ByteBuf buf = null;
    try {
        if (acceptOutboundMessage(msg)) {// todo 1  判断当前是否可以处理这个对象
            @SuppressWarnings("unchecked")
            I cast = (I) msg;
            // todo 2 内存分配
            buf = allocateBuffer(ctx, cast, preferDirect);
            try {
                // todo 3 调用本类的encode(), 这个方法就是我们自己实现的方法
                encode(ctx, cast, buf);
            } finally {
                // todo 4 释放
                ReferenceCountUtil.release(cast);
            }

            if (buf.isReadable()) {
                // todo 5. 往前传递
                ctx.write(buf, promise);
            } else {
                buf.release();
                ctx.write(Unpooled.EMPTY_BUFFER, promise);
            }
            buf = null;
        } else {
            ctx.write(msg, promise);
        }
    } catch (EncoderException e) {
        throw e;
    } catch (Throwable e) {
        throw new EncoderException(e);
    } finally {
        if (buf != null) {
            // todo 释放
            buf.release();
        }
    }
  • 将我们发送的消息msg,封装进了 ByteBuf 中
  • 编码: 执行encode()方法,这是个抽象方法,由我们自定义的编码器实现
  • 我们的实现很简单,分别往Buf里面写入下面两次数据
  • int类型的消息的长度
  • 消息体
  • 将msg释放
  • 继续向前传递 write()事件
  • 最终,释放第一步创建的ByteBuf

小结

到这里为止,编码器的执行流程已经完成了,我们可以看到,和解码器的架构逻辑相似,类似于模板设计模式,对我们来说,只不过是做了个填空题

其实到上面的最后一步 释放第一步创建的ByteBuf之前 ,消息已经被写到jdk底层的 ByteBuffer 中了,怎么做的呢? 别忘了它的上一步, 继续向前传递write()事件,再往前其实就是HeaderContext了,和HeaderContext直接关联的就是unsafe类, 这并不奇怪,我们都知道,netty中无论是客户端还是服务端channel底层的数据读写,都依赖unsafe

下面开始分析,WriteAndFlush()底层的两波任务细节

第一波事件传递 write()

我们跟进HenderContext的write() ,而HenderContext的中依赖的是unsafe.wirte()所以直接去 AbstractChannel的Unsafe 源码如下:

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@Override
    public final void write(Object msg, ChannelPromise promise) {
        assertEventLoop();
        ChannelOutboundBuffer outboundBuffer = this.outboundBuffer;
        if (outboundBuffer == null) { // todo 缓存 写进来的 buffer
            ReferenceCountUtil.release(msg);
            return;
        }

        int size;
        try {
            // todo buffer  Dirct化 , (我们查看 AbstractNioByteBuf的实现)
            msg = filterOutboundMessage(msg);

            size = pipeline.estimatorHandle().size(msg);
            if (size < 0) {
                size = 0;
            }
        } catch (Throwable t) {
            safeSetFailure(promise, t);
            ReferenceCountUtil.release(msg);
            return;
        }
        // todo 插入写队列  将 msg 插入到 outboundBuffer
        // todo outboundBuffer 这个对象是 ChannelOutBoundBuf类型的,它的作用就是起到一个容器的作用
        // todo 下面看, 是如何将 msg 添加进 ChannelOutBoundBuf中的
        outboundBuffer.addMessage(msg, size, promise);
    }

参数位置的msg,就是经过我们自定义解码器的父类进行包装了的ByteBuf类型消息

这个方法主要做了三件事

  • 第一: filterOutboundMessage(msg); 将ByteBuf转换成DirctByteBuf

当我们进入查看他的实现时,idea会提示,它的子类重写了这个方法, 是谁重写的呢? 是AbstractNioByteChannel 这个类其实是属于客户端阵营的类,和服务端的AbstractNioMessageChannel相提并论

源码如下:

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protected final Object filterOutboundMessage(Object msg) {
    if (msg instanceof ByteBuf) {
        ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
        if (buf.isDirect()) {
            return msg;
        }

        return newDirectBuffer(buf);
    }

    if (msg instanceof FileRegion) {
        return msg;
    }

    throw new UnsupportedOperationException(
            "unsupported message type: " + StringUtil.simpleClassName(msg) + EXPECTED_TYPES);
}
  • 第二件事: 将转换后的DirectBuffer插入到写队列中

什么是写队列 ? 作用是啥?

它其实就是一个netty自定义的容器,使用的单向链表的结构,为什么要有这个容器呢? 回想一下,服务端需要向客户端发送消息,消息进而被封装进ByteBuf,但是呢, 往客户端写的方法有两个

  • write()
  • writeAndFlush()

这个方法的区别是有的,前者只是进行了写,(写到了ByteBuf) 却没有将内容刷新到ByteBuffer,没有刷新到缓存中,就没办法进一步把它写入jdk原生的ByteBuffer中, 而writeAndFlush()就比较方便,先把msg写入ByteBuf,然后直接刷进socket,一套带走,打完收工

但是如果客户端偏偏就是不使用writeAndFlush(),而使用前者,那么盛放消息的ByteBuf被传递到handler的最开始的位置,怎么办? unsafe也无法把它写给客户端, 难道丢弃不成?

于是写队列就解决了这个问题,它以链表当做数据结构,新传播过来的ByteBuf就会被他封装成一个一个的节点(entry)进行维护,为了区分这个链表中,哪个节点是被使用过的,哪个节点是没有使用过的,他就用三个标记指针进行标记,如下:

  • flushedEntry 被刷新过的entry
  • tailEntry 尾节点
  • unflushedEntry 未被刷的entry

下面我们看一下,它如何将一个新的节点,添加到写队列

addMessage(Object msg, int size, ChannelPromise promise) 添加写队列

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public void addMessage(Object msg, int size, ChannelPromise promise) {
    // todo 将上面的三者封装成实体
    // todo 调用工厂方法, 创建  Entry  , 在 当前的ChannelOutboundBuffer 中每一个单位都是一个 Entry, 用它进一步包装 msg
    Entry entry = Entry.newInstance(msg, size, total(msg), promise);

    // todo 调整三个指针, 去上面查看这三个指针的定义
    if (tailEntry == null) {
        flushedEntry = null;
        tailEntry = entry;
    } else {
        Entry tail = tailEntry;
        tail.next = entry;
        tailEntry = entry;
    }
    if (unflushedEntry == null) {
        unflushedEntry = entry;
    }

    // increment pending bytes after adding message to the unflushed arrays.
    // See https://github.com/netty/netty/issues/1619
    // todo 跟进这个方法
    incrementPendingOutboundBytes(entry.pendingSize, false);
}

看他的源码,其实就是简单的针对链表进行插入的操作,尾插入法, 一直往最后的位置插入,链表的头被标记成unflushedEntry 这两个节点之间entry,表示是可以被flush的节点

在每次添加新的 节点后都调用incrementPendingOutboundBytes(entry.pendingSize, false)方法, 这个方法的作用是设置写状态, 设置怎样的状态呢? 我们看它的源码, 可以看到,它会记录下累计的ByteBuf的容量,一旦超出了阈值,就会传播channel不可写的事件

  • 这也是write()的第三件事
Copy
private void incrementPendingOutboundBytes(long size, boolean invokeLater) {
    if (size == 0) {
        return;
    }
    // todo TOTAL_PENDING_SIZE_UPDATER 当前缓存中 存在的代写的 字节
    // todo 累加
    long newWriteBufferSize = TOTAL_PENDING_SIZE_UPDATER.addAndGet(this, size);
    // todo 判断 新的将被写的 buffer的容量不能超过  getWriteBufferHighWaterMark() 默认是 64*1024  64字节
    if (newWriteBufferSize > channel.config().getWriteBufferHighWaterMark()) {
        // todo 超过64 字节,进入这个方法
        setUnwritable(invokeLater);
    }
}

小结:

到目前为止,第一波write()事件已经完成了,我们可以看到了,这个事件的功能就是使用ChannelOutBoundBuf将write事件传播过去的单个ByteBuf维护起来,等待 flush事件的传播

第二波事件传递 flush()

我们重新回到,AbstractChannel中,看他的第二波flush事件的传播状态, 源码如下:它也是主要做了下面的三件事

  • 添加刷新标志,设置写状态
  • 遍历buffer队列,过滤可以flush的buffer
  • 调用jdk底层的api,进行自旋写
Copy
// todo 最终传递到 这里
@Override
public final void flush() {
    assertEventLoop();

    ChannelOutboundBuffer outboundBuffer = this.outboundBuffer;
    if (outboundBuffer == null) {
        return;
    }
    // todo 添加刷新标志, 设置写状态
    outboundBuffer.addFlush();

    // todo  遍历buffer队列, 过滤byteBuf
    flush0();
}

添加刷新标志,设置写状态

什么是添加刷新标志呢? 其实就是更改链表中的指针位置,三个指针之间的可以完美的把entry划分出曾经flush过的和未flush节点

ok,继续

下面看一下如何设置状态,addflush() 源码如下:

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 * todo 给 ChannelOutboundBuffer 添加缓存, 这意味着, 原来添加进 ChannelOutboundBuffer 中的所有 Entry, 全部会被标记为 flushed 过
 */
public void addFlush() {
// todo 默认让 entry 指向了 unflushedEntry ==> 其实链表中的最左边的 未被使用过的 entry
// todo
Entry entry = unflushedEntry;

if (entry != null) {
    if (flushedEntry == null) {
        // there is no flushedEntry yet, so start with the entry
        flushedEntry = entry;
    }
    do {
        flushed ++;
        if (!entry.promise.setUncancellable()) {
            // Was cancelled so make sure we free up memory and notify about the freed bytes
            int pending = entry.cancel();
            // todo 跟进这个方法
            decrementPendingOutboundBytes(pending, false, true);
        }
        entry = entry.next;
    } while (entry != null);

    // All flushed so reset unflushedEntry
    unflushedEntry = null;
}
}

目标是移动指针,改变每一个节点的状态, 哪一个指针呢? 是 flushedEntry, 它指向读被flush的节点,也就是说,它左边的,都被处理过了

下面的代码,是选出一开始位置, 因为, 如果flushedEntry == null,说明没有任何一个曾经被flush过的节点,于是就将开始的位置定位到最左边开始,

Copy
if (flushedEntry == null) {
    // there is no flushedEntry yet, so start with the entry
    flushedEntry = entry;
}

紧接着一个do-while循环,从最后一个被flushedEntry的地方,到尾部,挨个遍历每一个节点, 因为这些节点要被flush进缓存,我们需要把write时累加的他们的容量减掉, 源码如下

Copy
private void decrementPendingOutboundBytes(long size, boolean invokeLater, boolean notifyWritability) {
    if (size == 0) {
        return;
    }
    // todo 每次 减去 -size
    long newWriteBufferSize = TOTAL_PENDING_SIZE_UPDATER.addAndGet(this, -size);
    // todo   默认 getWriteBufferLowWaterMark() -32kb
    // todo   newWriteBufferSize<32 就把不可写状态改为可写状态
    if (notifyWritability && newWriteBufferSize < channel.config().getWriteBufferLowWaterMark()) {
        setWritable(invokeLater);
    }
}

同样是使用原子类做到的这件事, 此外,经过减少的容量,如果小于了32kb就会传播 channel可写的事件

遍历buffer队列, 过滤byteBuf

这是flush的重头戏,它实现了将数据写入socket的操作

我们跟进它的源码,doWrite(ChannelOutboundBuffer in) 这是本类AbstractChannel的抽象方法, 写如的逻辑方法,被设计成抽象的,具体往那个channel写,和具体的实现有关, 当前我们想往客户端写, 它的实现是AbstractNioByteChannel,我们进入它的实现,源码如下

Copy
 boolean setOpWrite = false;
        // todo 整体是无限循环, 过滤ByteBuf
for (;;) {
    // todo 获取第一个 flushedEntity, 这个entity中 有我们需要的 byteBuf
    Object msg = in.current();
    if (msg == null) {
        // Wrote all messages.
        clearOpWrite();
        // Directly return here so incompleteWrite(...) is not called.
        return;
    }

    if (msg instanceof ByteBuf) {
        // todo 第三部分,jdk底层, 进行自旋的写
        ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
        int readableBytes = buf.readableBytes();
        if (readableBytes == 0) {
            // todo 当前的 ByteBuf 中,没有可写的, 直接remove掉
            in.remove();
            continue;
        }

        boolean done = false;
        long flushedAmount = 0;
        if (writeSpinCount == -1) {
            // todo 获取自旋锁, netty使用它进行
            writeSpinCount = config().getWriteSpinCount();
        }
        // todo 这个for循环是在自旋尝试往 jdk底层的 ByteBuf写入数据
        for (int i = writeSpinCount - 1; i >= 0; i --) {

            // todo  把 对应的 buf , 写到socket中
            // todo localFlushedAmount就是 本次 往jdk底层的 ByteBuffer 中写入了多少字节
            int localFlushedAmount = doWriteBytes(buf);

            if (localFlushedAmount == 0) {
                setOpWrite = true;
                break;
            }
            // todo 累加一共写了多少字节
            flushedAmount += localFlushedAmount;
            // todo 如果buf中的数据全部写完了, 设置完成的状态, 退出循环
            if (!buf.isReadable()) {
                done = true;
                break;
            }
        }

        in.progress(flushedAmount);

        // todo 自旋结束,写完了  done = true
        if (done) {
            // todo 跟进去
            in.remove();
        } else {
            // Break the loop and so incompleteWrite(...) is called.
            break;
        }
    ....

这一段代码也是非常长, 它的主要逻辑如下:

通过一个无限循环,保证可以拿到所有的节点上的ByteBuf,通过这个函数获取节点,Object msg = in.current();

我们进一步看它的实现,如下,它只会取出我们标记的节点

Copy
 public Object current() {
        Entry entry = flushedEntry;
        if (entry == null) {
            return null;
        }

        return entry.msg;
    }

下一步, 使用jdk的自旋锁,循环16次,尝试往jdk底层的ByteBuffer中写数据, 调用函数doWriteBytes(buf);他是本类的抽象方法, 具体的实现是,客户端chanel的封装类NioSocketChannel实现的源码如下:

Copy
// todo
@Override
protected int doWriteBytes(ByteBuf buf) throws Exception {
    final int expectedWrittenBytes = buf.readableBytes();
    // todo 将字节数据, 写入到 java 原生的 channel中
    return buf.readBytes(javaChannel(), expectedWrittenBytes);
}

这个readBytes()依然是抽象方法,因为前面我们曾经把从ByteBuf转化成了Dirct类型的, 所以它的实现类是PooledDirctByteBuf 继续跟进如下: 终于见到了亲切的一幕

Copy
 // todo
    @Override
    public int readBytes(GatheringByteChannel out, int length) throws IOException {
        checkReadableBytes(length);
        //todo  关键的就是 getBytes()  跟进去
        int readBytes = getBytes(readerIndex, out, length, true);
        readerIndex += readBytes;
        return readBytes;
    }
    
    跟进getBytes(){
        index = idx(index);
        // todo 将netty 的 ByteBuf 塞进 jdk的    ByteBuffer tmpBuf;
        tmpBuf.clear().position(index).limit(index + length);
        // todo 调用jdk的write()方法
        return out.write(tmpBuf);
    }

此外,被使用过的节点会被remove()掉, 源码如下, 也是针对链表的操作#

Copy
private void removeEntry(Entry e) {
        if (-- flushed == 0) { // todo 如果是最后一个节点, 把所有的指针全部设为 null
            // processed everything
            flushedEntry = null;
            if (e == tailEntry) {
                tailEntry = null;
                unflushedEntry = null;
            }
        } else { //todo 如果 不是最后一个节点, 把当前节点,移动到最后的 节点
            flushedEntry = e.next;
        }
    }

小结

到这里, 第二波任务的传播就完成了

write

  • 将buffer 转换成DirctBuffer
  • 将消息entry 插入写队列
  • 设置写状态

flush

  • 刷新标志,设置写状态
  • 变量buffer队列,过滤Buffer
  • 调用jdk底层的api,把ByteBuf写入jdk原生的ByteBuffer


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