Netty NioEventLoop 啟動過程原始碼分析
啟動
在之前分析 的文章中，提到過下面這段程式碼，先前只講了 channel.bind() 繫結邏輯，跳過了execute() 介面，現在我們以這個為例，開始分析NioEventLoop的execute()介面，主要邏輯如下：
-
新增任務佇列
-
繫結當前執行緒到EventLoop上
-
呼叫EventLoop的run()方法
private static void doBind0( final ChannelFuture regFuture, final Channel channel, final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise) { // 透過eventLoop來執行channel繫結的Task
channel.eventLoop().execute(new Runnable() { @Override
public void run() { if (regFuture.isSuccess()) { // channel繫結
channel.bind(localAddress, promise).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE_ON_FAILURE);
} else {
promise.setFailure(regFuture.cause());
}
}
});
}
往下追蹤到 SingleThreadEventExecutor 中 execute 介面，如下：
@Overridepublic void execute(Runnable task) { if (task == null) { throw new NullPointerException("task");
} // 判斷當前執行時執行緒是否與EventLoop中繫結的執行緒一致
// 這裡還未繫結Thread，所以先返回false
boolean inEventLoop = inEventLoop(); // 將任務新增任務佇列，也就是我們前面講EventLoop建立時候提到的 MpscQueue.
addTask(task); if (!inEventLoop) { // 啟動執行緒
startThread(); if (isShutdown() && removeTask(task)) {
reject();
}
} if (!addTaskWakesUp && wakesUpForTask(task)) {
wakeup(inEventLoop);
}
}
啟動執行緒介面：
private void startThread() { // 狀態比較，最開始時state = 1 ，為true
if (state == ST_NOT_STARTED) { // cs操作後，state狀態設定為 2
if (STATE_UPDATER.compareAndSet(this, ST_NOT_STARTED, ST_STARTED)) { try { // 啟動介面
doStartThread();
} catch (Throwable cause) {
STATE_UPDATER.set(this, ST_NOT_STARTED);
PlatformDependent.throwException(cause);
}
}
}
}// 執行執行緒啟動方法private void doStartThread() { // 斷言判斷 SingleThreadEventExecutor 還未繫結 Thread
assert thread == null; // executor 執行任務
executor.execute(new Runnable() { @Override
public void run() { // 將 SingleThreadEventExecutor(在我們的案例中就是NioEventLoop) 與 當前執行緒進行繫結
thread = Thread.currentThread(); if (interrupted) {
thread.interrupt();
} // 設定狀態為 false
boolean success = false; // 更新最近一次任務的執行時間
updateLastExecutionTime(); try { // 往下呼叫 NioEventLoop 的 run 方法，執行
SingleThreadEventExecutor.this.run();
success = true;
} catch (Throwable t) {
logger.warn("Unexpected exception from an event executor: ", t);
} finally {
...
}
}
});
}
執行
往下呼叫到 NioEventLoop 中的 run 方法，透過無限for迴圈，主要做以下三件事情：
-
輪循I/O事件：select(wakenUp.getAndSet(false))
-
處理I/O事件：processSelectedKeys
-
執行Task任務：runAllTasks
@Overrideprotected void run() { for (;;) { try { switch (selectStrategy.calculateStrategy(selectNowSupplier, hasTasks())) { case SelectStrategy.CONTINUE: continue; case SelectStrategy.SELECT: // 輪訓檢測I/O事件
// wakenUp為了標記selector是否是喚醒狀態，每次select操作，都設定為false，也就是未喚醒狀態。
select(wakenUp.getAndSet(false)); // 'wakenUp.compareAndSet(false, true)' 總是在呼叫 'selector.wakeup()' 之前進行評估，以減少喚醒的開銷
// (Selector.wakeup() 是非常耗效能的操作.)
// 但是，這種方法存在競爭條件。當「wakeup」太早設定為true時觸發競爭條件
// 在下面兩種情況下，「wakenUp」會過早設定為true：
// 1）Selector 在 'wakenUp.set(false)' 與 'selector.select(...)' 之間被喚醒。(BAD)
// 2）Selector 在 'selector.select(...)' 與 'if (wakenUp.get()) { ... }' 之間被喚醒。(OK)
// 在第一種情況下，'wakenUp'設定為true，後面的'selector.select（...）'將立即喚醒。 直到'wakenUp'在下一輪中再次設定為false，'wakenUp.compareAndSet（false，true）'將失敗，因此任何喚醒選擇器的嘗試也將失敗，從而導致以下'selector.select（。 ..）'呼籲阻止不必要的。
// 要解決這個問題，如果在selector.select（...）操作之後wakenUp立即為true，我們會再次喚醒selector。 它是低效率的，因為它喚醒了第一種情況（BAD - 需要喚醒）和第二種情況（OK - 不需要喚醒）的選擇器。
if (wakenUp.get()) {
selector.wakeup();
} // fall through
default:
}
cancelledKeys = 0;
needsToSelectAgain = false; // ioRatio 表示處理I/O事件與執行具體任務事件之間所耗時間的比值。
// ioRatio 預設為50
final int ioRatio = this.ioRatio; if (ioRatio == 100) { try { // 處理I/O事件
processSelectedKeys();
} finally { // 處理任務佇列
runAllTasks();
}
} else { // 處理IO事件的開始時間
final long ioStartTime = System.nanoTime(); try { // 處理I/O事件
processSelectedKeys();
} finally { // 記錄io所耗時間
final long ioTime = System.nanoTime() - ioStartTime; // 處理任務佇列，設定最大的超時時間
runAllTasks(ioTime * (100 - ioRatio) / ioRatio);
}
}
} catch (Throwable t) {
handleLoopException(t);
}
// Always handle shutdown even if the loop processing threw an exception.
try { if (isShuttingDown()) {
closeAll(); if (confirmShutdown()) { return;
}
}
} catch (Throwable t) {
handleLoopException(t);
}
}
}
輪循檢測I/O事件
private void select(boolean oldWakenUp) throws IOException {
Selector selector = this.selector; try { // select操作計數
int selectCnt = 0; // 記錄當前系統時間
long currentTimeNanos = System.nanoTime(); // delayNanos方法用於計算定時任務佇列，最近一個任務的截止時間
// selectDeadLineNanos 表示當前select操作所不能超過的最大截止時間
long selectDeadLineNanos = currentTimeNanos + delayNanos(currentTimeNanos); for (;;) { // 計算超時時間，判斷是否超時
long timeoutMillis = (selectDeadLineNanos - currentTimeNanos + 500000L) / 1000000L; // 如果 timeoutMillis <= 0， 表示超時，進行一個非阻塞的 select 操作。設定 selectCnt 為 1. 並終止本次迴圈。
if (timeoutMillis <= 0) { if (selectCnt == 0) {
selector.selectNow();
selectCnt = 1;
} break;
} // 當wakenUp為ture時，恰好有task被提交，這個task將無法獲得呼叫的機會
// Selector#wakeup. 因此，在執行select操作之前，需要再次檢查任務佇列
// 如果不這麼做，這個Task將一直掛起，直到select操作超時
// 如果 pipeline 中存在 IdleStateHandler ，那麼Task將一直掛起直到 空閒超時。
if (hasTasks() && wakenUp.compareAndSet(false, true)) { // 呼叫非阻塞方法
selector.selectNow();
selectCnt = 1; break;
} // 如果當前任務佇列為空，並且超時時間未到，則進行一個阻塞式的selector操作。timeoutMillis 為最大的select時間
int selectedKeys = selector.select(timeoutMillis); // 操作計數 +1
selectCnt ++;
// 存在以下情況，本次selector則終止
if (selectedKeys != 0 || oldWakenUp || wakenUp.get() || hasTasks() || hasScheduledTasks()) { // - 輪訓到了事件（Selected something,）
// - 被使用者喚醒（waken up by user,）
// - 已有任務佇列（the task queue has a pending task.）
// - 已有定時任務（a scheduled task is ready for processing）
break;
} if (Thread.interrupted()) { // Thread was interrupted so reset selected keys and break so we not run into a busy loop.
// As this is most likely a bug in the handler of the user or it's client library we will
// also log it.
//
// See
if (logger.isDebugEnabled()) {
logger.debug("Selector.select() returned prematurely because " + "Thread.currentThread().interrupt() was called. Use " + "NioEventLoop.shutdownGracefully() to shutdown the NioEventLoop.");
}
selectCnt = 1; break;
} // 記錄當前時間
long time = System.nanoTime(); // 如果time > currentTimeNanos + timeoutMillis(超時時間)，則表明已經執行過一次select操作
if (time - TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeoutMillis) >= currentTimeNanos) { // timeoutMillis elapsed without anything selected.
selectCnt = 1;
}
// 如果 time <= currentTimeNanos + timeoutMillis，表示觸發了空輪訓
// 如果空輪訓的次數超過 SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD (512)，則重建一個新的selctor，避免空輪訓
else if (SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD > 0 &&
selectCnt >= SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD) { // The selector returned prematurely many times in a row.
// Rebuild the selector to work around the problem.
logger.warn( "Selector.select() returned prematurely {} times in a row; rebuilding Selector {}.",
selectCnt, selector); // 重建建立一個新的selector
rebuildSelector();
selector = this.selector; // Select again to populate selectedKeys.
// 對重建後的selector進行一次非阻塞呼叫，用於獲取最新的selectedKeys
selector.selectNow(); // 設定select計數
selectCnt = 1; break;
}
currentTimeNanos = time;
} if (selectCnt > MIN_PREMATURE_SELECTOR_RETURNS) { if (logger.isDebugEnabled()) {
logger.debug("Selector.select() returned prematurely {} times in a row for Selector {}.",
selectCnt - 1, selector);
}
}
} catch (CancelledKeyException e) { if (logger.isDebugEnabled()) {
logger.debug(CancelledKeyException.class.getSimpleName() + " raised by a Selector {} - JDK bug?",
selector, e);
} // Harmless exception - log anyway
}
}
重新建立一個新的Selector
該方法的主要邏輯就是：
-
建立一個新的selector
-
將老的selector上的 selectKey註冊到新的 selector 上
public void rebuildSelector() { if (!inEventLoop()) {
execute(new Runnable() { @Override
public void run() {
rebuildSelector0();
}
}); return;
}
rebuildSelector0();
}// 重新建立selectorprivate void rebuildSelector0() { // 暫存老的selector
final Selector oldSelector = selector; final SelectorTuple newSelectorTuple; if (oldSelector == null) { return;
} try { // 建立一個新的 SelectorTuple
// openSelector()在之前分析過了
newSelectorTuple = openSelector();
} catch (Exception e) {
logger.warn("Failed to create a new Selector.", e); return;
} // Register all channels to the new Selector.
// 記錄select上註冊的channel數量
int nChannels = 0; // 遍歷老的 selector 上的 SelectionKey
for (SelectionKey key: oldSelector.keys()) { // 獲取 attachment，這裡的attachment就是我們前面在講 Netty Channel註冊時，select會將channel賦值到 attachment 變數上。
// 獲取老的selector上註冊的channel
Object a = key.attachment(); try { if (!key.isValid() || key.channel().keyFor(newSelectorTuple.unwrappedSelector) != null) { continue;
} // 獲取興趣集
int interestOps = key.interestOps(); // 取消 SelectionKey
key.cancel(); // 將老的興趣集重新註冊到前面新建立的selector上
SelectionKey newKey = key.channel().register(newSelectorTuple.unwrappedSelector, interestOps, a);
if (a instanceof AbstractNioChannel) { // Update SelectionKey
((AbstractNioChannel) a).selectionKey = newKey;
} // nChannels計數 + 1
nChannels ++;
} catch (Exception e) {
logger.warn("Failed to re-register a Channel to the new Selector.", e); if (a instanceof AbstractNioChannel) {
AbstractNioChannel ch = (AbstractNioChannel) a;
ch.unsafe().close(ch.unsafe().voidPromise());
} else { @SuppressWarnings("unchecked")
NioTask<SelectableChannel> task = (NioTask<SelectableChannel>) a;
invokeChannelUnregistered(task, key, e);
}
}
}
// 設定新的 selector
selector = newSelectorTuple.selector; // 設定新的 unwrappedSelector
unwrappedSelector = newSelectorTuple.unwrappedSelector; try { // time to close the old selector as everything else is registered to the new one
// 關閉老的seleclor
oldSelector.close();
} catch (Throwable t) { if (logger.isWarnEnabled()) {
logger.warn("Failed to close the old Selector.", t);
}
} if (logger.isInfoEnabled()) {
logger.info("Migrated " + nChannels + " channel(s) to the new Selector.");
}
}
處理I/O事件
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
// 設定為null，有利於GC回收
selectedKeys.keys[i] = null; // 獲取 SelectionKey 中的 attachment, 我們這裡就是 NioChannel
final Object a = k.attachment(); if (a instanceof AbstractNioChannel) { // 處理 SelectedKey
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
selectedKeys.reset(i + 1);
selectAgain();
i = -1;
}
}
}// 處理 SelectedKeyprivate void processSelectedKey(SelectionKey k, AbstractNioChannel ch) { // 獲取Netty Channel中的 NioUnsafe 物件，用於後面的IO操作
final AbstractNioChannel.NioUnsafe unsafe = ch.unsafe(); // 判斷 SelectedKey 的有效性，如果無效，則直接返回並關閉channel
if (!k.isValid()) { final EventLoop eventLoop; try {
eventLoop = ch.eventLoop();
} catch (Throwable ignored) { // If the channel implementation throws an exception because there is no event loop, we ignore this
// because we are only trying to determine if ch is registered to this event loop and thus has authority
// to close ch.
return;
} // Only close ch if ch is still registered to this EventLoop. ch could have deregistered from the event loop
// and thus the SelectionKey could be cancelled as part of the deregistration process, but the channel is
// still healthy and should not be closed.
// See
if (eventLoop != this || eventLoop == null) { return;
} // close the channel if the key is not valid anymore
// 關閉channel
unsafe.close(unsafe.voidPromise()); return;
} try { // 獲取 SelectionKey 中所有準備就緒的操作集
int readyOps = k.readyOps(); // We first need to call finishConnect() before try to trigger a read(...) or write(...) as otherwise
// the NIO JDK channel implementation may throw a NotYetConnectedException.
// 在呼叫處理READ與WRITE事件之間，先呼叫finishConnect()介面，避免異常 NotYetConnectedException 發生。
if ((readyOps & SelectionKey.OP_CONNECT) != 0) { // remove OP_CONNECT as otherwise Selector.select(..) will always return without blocking
// See
int ops = k.interestOps();
ops &= ~SelectionKey.OP_CONNECT;
k.interestOps(ops);
unsafe.finishConnect();
} // Process OP_WRITE first as we may be able to write some queued buffers and so free memory.
// 處理 WRITE 事件
if ((readyOps & SelectionKey.OP_WRITE) != 0) { // Call forceFlush which will also take care of clear the OP_WRITE once there is nothing left to write
ch.unsafe().forceFlush();
} // Also check for readOps of 0 to workaround possible JDK bug which may otherwise lead
// to a spin loop
// 處理 ACCEPT 與 READ 事件
// 如果當前的EventLoop是WorkGroup，則表示有 READ 事件
// 如果當前的EventLoop是BossGroup，則表示有 ACCEPT 事件，有新連線進來了
if ((readyOps & (SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_ACCEPT)) != 0 || readyOps == 0) { // 讀取資料
unsafe.read();
}
} catch (CancelledKeyException ignored) {
unsafe.close(unsafe.voidPromise());
}
}
關於
unsafe.read()的分析，請看
執行所有任務
接下來，我們瞭解一下執行具體Task任務的介面：runAllTasks。在EventLoop中，待執行的任務佇列分為兩種：一種是普通任務佇列，一種是定時任務佇列。
我們講 EventLoop 建立時提到過NioEventLoop中 taskQueue 的建立，是一個MpscQueue，關於高效率的MpscQueue 後面單獨寫文章進行介紹：
public abstract class SingleThreadEventExecutor extends AbstractScheduledEventExecutor implements OrderedEventExecutor {
...
// 存放普通任務的佇列
private final Queue<Runnable> taskQueue;
...
protected SingleThreadEventExecutor(EventExecutorGroup parent, Executor executor, boolean addTaskWakesUp, int maxPendingTasks,
RejectedExecutionHandler rejectedHandler) { super(parent); this.addTaskWakesUp = addTaskWakesUp; this.maxPendingTasks = Math.max(16, maxPendingTasks); this.executor = ObjectUtil.checkNotNull(executor, "executor"); // 建立TaskQueue
taskQueue = newTaskQueue(this.maxPendingTasks);
rejectedExecutionHandler = ObjectUtil.checkNotNull(rejectedHandler, "rejectedHandler");
}
...
}public final class NioEventLoop extends SingleThreadEventLoop {
...
// NioEventLoop 建立TaskQueue佇列
@Override
protected Queue<Runnable> newTaskQueue(int maxPendingTasks) { // This event loop never calls takeTask()
return maxPendingTasks == Integer.MAX_VALUE ? PlatformDependent.<Runnable>newMpscQueue()
: PlatformDependent.<Runnable>newMpscQueue(maxPendingTasks);
}
...
}
存放定時任務的佇列在 AbstractScheduledEventExecutor 中，成員變數為 scheduledTaskQueue，程式碼如下：
public abstract class AbstractScheduledEventExecutor extends AbstractEventExecutor {
// 優先順序佇列的比較器
private static final Comparator<ScheduledFutureTask<?>> SCHEDULED_FUTURE_TASK_COMPARATOR = new Comparator<ScheduledFutureTask<?>>() { @Override
public int compare(ScheduledFutureTask<?> o1, ScheduledFutureTask<?> o2) { return o1.compareTo(o2);
}
};
// 存放定時任務的優先順序佇列
PriorityQueue<ScheduledFutureTask<?>> scheduledTaskQueue; // 建立定時任務佇列
PriorityQueue<ScheduledFutureTask<?>> scheduledTaskQueue() { if (scheduledTaskQueue == null) {
scheduledTaskQueue = new DefaultPriorityQueue<ScheduledFutureTask<?>>(
SCHEDULED_FUTURE_TASK_COMPARATOR, // Use same initial capacity as java.util.PriorityQueue
11);
} return scheduledTaskQueue;
}
// 儲存定時任務
@Override
public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit) {
ObjectUtil.checkNotNull(command, "command");
ObjectUtil.checkNotNull(unit, "unit"); if (delay < 0) {
delay = 0;
}
validateScheduled0(delay, unit); return schedule(new ScheduledFutureTask<Void>( this, command, null, ScheduledFutureTask.deadlineNanos(unit.toNanos(delay))));
} // 儲存定時任務
@Override
public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable, long delay, TimeUnit unit) {
ObjectUtil.checkNotNull(callable, "callable");
ObjectUtil.checkNotNull(unit, "unit"); if (delay < 0) {
delay = 0;
}
validateScheduled0(delay, unit); return schedule(new ScheduledFutureTask<V>( this, callable, ScheduledFutureTask.deadlineNanos(unit.toNanos(delay))));
} // 儲存定時任務
<V> ScheduledFuture<V> schedule(final ScheduledFutureTask<V> task) { // 判斷是否為當前執行緒
if (inEventLoop()) { // 新增定時任務佇列
scheduledTaskQueue().add(task);
} else {
execute(new Runnable() { @Override
public void run() { // 新增定時任務佇列
scheduledTaskQueue().add(task);
}
});
} return task;
}
}
Netty存放定時任務佇列為 ，定時任務的封裝物件為 ScheduledFutureTask ，在佇列中的優先按照它們的截止時間進行排序，其次在按照id進行排序。
final class ScheduledFutureTask<V> extends PromiseTask<V> implements ScheduledFuture<V>, PriorityQueueNode {
...
// 比較 ScheduledFutureTask 之間的排序
@Override
public int compareTo(Delayed o) { if (this == o) { return 0;
}
ScheduledFutureTask<?> that = (ScheduledFutureTask<?>) o; long d = deadlineNanos() - that.deadlineNanos(); if (d < 0) { return -1;
} else if (d > 0) { return 1;
} else if (id < that.id) { return -1;
} else if (id == that.id) { throw new Error();
} else { return 1;
}
}
...
}
再來看看任務的執行邏輯，首先將定時任務取出，聚合到普通任務佇列中，再去for迴圈執行每個Task。
protected boolean runAllTasks(long timeoutNanos) { // 將定時任務從定時佇列中取出，放入普通佇列中
fetchFromScheduledTaskQueue(); // 從佇列中取出任務
Runnable task = pollTask(); if (task == null) {
afterRunningAllTasks(); return false;
} // 計算任務執行的最大超時時間
final long deadline = ScheduledFutureTask.nanoTime() + timeoutNanos; // 任務計數
long runTasks = 0; // 最近一次任務執行的時間
long lastExecutionTime; for (;;) { // 執行任務
safeExecute(task); // 任務計數 +1
runTasks ++; // Check timeout every 64 tasks because nanoTime() is relatively expensive.
// XXX: Hard-coded value - will make it configurable if it is really a problem.
// 由於nanoTime() 是非常好效能的操作，因此每64次就對比一下 定時任務的執行時間與 deadline，
// 如果 lastExecutionTime >= deadline，則表示任務超時了，需要中斷退出
if ((runTasks & 0x3F) == 0) {
lastExecutionTime = ScheduledFutureTask.nanoTime(); if (lastExecutionTime >= deadline) { break;
}
}
// 獲取任務
task = pollTask(); if (task == null) {
lastExecutionTime = ScheduledFutureTask.nanoTime(); break;
}
}
afterRunningAllTasks(); // 記錄最後一次的執行時間
this.lastExecutionTime = lastExecutionTime; return true;
}// 取出任務protected Runnable pollTask() { assert inEventLoop(); return pollTaskFrom(taskQueue);
}// 從佇列中取出任務protected static Runnable pollTaskFrom(Queue<Runnable> taskQueue) { for (;;) {
Runnable task = taskQueue.poll(); if (task == WAKEUP_TASK) { continue;
} return task;
}
}// 將定時任務從定時佇列中取出，聚合到普通佇列中：private boolean fetchFromScheduledTaskQueue() { // 得到nanoTime = 當前時間 - ScheduledFutureTask的START_TIME(開始時間)
long nanoTime = AbstractScheduledEventExecutor.nanoTime(); // 獲得截止時間小於nanoTime的定時任務
Runnable scheduledTask = pollScheduledTask(nanoTime); while (scheduledTask != null) { // 將定時任務放入普通佇列中，以備執行
if (!taskQueue.offer(scheduledTask)) { // No space left in the task queue add it back to the scheduledTaskQueue so we pick it up again.
// 如果 taskQueue 沒有足夠的空間，導致新增失敗，則將其返回定時任務佇列中
scheduledTaskQueue().add((ScheduledFutureTask<?>) scheduledTask); return false;
}
scheduledTask = pollScheduledTask(nanoTime);
} return true;
}// 獲得截止時間小於nanoTime的定時任務protected final Runnable pollScheduledTask(long nanoTime) { assert inEventLoop(); // 獲取定時任務佇列
Queue<ScheduledFutureTask<?>> scheduledTaskQueue = this.scheduledTaskQueue; // 獲取第一個定時任務
ScheduledFutureTask<?> scheduledTask = scheduledTaskQueue == null ? null : scheduledTaskQueue.peek(); if (scheduledTask == null) { return null;
} // 如果該定時任務的截止時間 <= nanoTime ，則返回
if (scheduledTask.deadlineNanos() <= nanoTime) {
scheduledTaskQueue.remove(); return scheduledTask;
} return null;
}
來自 “ ITPUB部落格 ” ，連結：http://blog.itpub.net/31557424/viewspace-2218385/，如需轉載，請註明出處，否則將追究法律責任。
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