netty源码分析之pipeline(一)

通过前面的源码系列文章中的netty reactor线程三部曲，我们已经知道，netty的reactor线程就像是一个发动机，驱动着整个netty框架的运行，而服务端的绑定和新连接的建立正是发动机的导火线，将发动机点燃

netty在服务端端口绑定和新连接建立的过程中会建立相应的channel，而与channel的动作密切相关的是pipeline这个概念，pipeline像是可以看作是一条流水线，原始的原料(字节流)进来，经过加工，最后输出

本文，我将以新连接的建立为例分为以下几个部分给你介绍netty中的pipeline是怎么玩转起来的

• pipeline 初始化
• pipeline 添加节点
• pipeline 删除节点

pipeline 初始化

在新连接的建立这篇文章中，我们已经知道了创建NioSocketChannel的时候会将netty的核心组件创建出来

pipeline是其中的一员，在下面这段代码中被创建

AbstractChannel

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

AbstractChannel

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

DefaultChannelPipeline

protected DefaultChannelPipeline(Channel channel) {
    this.channel = ObjectUtil.checkNotNull(channel, "channel");
    tail = new TailContext(this);
    head = new HeadContext(this);

    head.next = tail;
    tail.prev = head;
}

pipeline中保存了channel的引用，创建完pipeline之后，整个pipeline是这个样子的

pipeline中的每个节点是一个ChannelHandlerContext对象，每个context节点保存了它包裹的执行器 ChannelHandler 执行操作所需要的上下文，其实就是pipeline，因为pipeline包含了channel的引用，可以拿到所有的context信息

默认情况下，一条pipeline会有两个节点，head和tail，后面的文章我们具体分析这两个特殊的节点，今天我们重点放在pipeline

pipeline添加节点

下面是一段非常常见的客户端代码

bootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
     @Override
     public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
         ChannelPipeline p = ch.pipeline();
         p.addLast(new Spliter())
         p.addLast(new Decoder());
         p.addLast(new BusinessHandler())
         p.addLast(new Encoder());
     }
});

首先，用一个spliter将来源TCP数据包拆包，然后将拆出来的包进行decoder，传入业务处理器BusinessHandler，业务处理完encoder，输出

整个pipeline结构如下

我用两种颜色区分了一下pipeline中两种不同类型的节点，一个是 ChannelInboundHandler，处理inBound事件，最典型的就是读取数据流，加工处理；还有一种类型的Handler是 ChannelOutboundHandler, 处理outBound事件，比如当调用writeAndFlush()类方法时，就会经过该种类型的handler

不管是哪种类型的handler，其外层对象 ChannelHandlerContext 之间都是通过双向链表连接，而区分一个 ChannelHandlerContext到底是in还是out，在添加节点的时候我们就可以看到netty是怎么处理的

DefaultChannelPipeline

@Override
public final ChannelPipeline addLast(ChannelHandler... handlers) {
    return addLast(null, handlers);
}

@Override
public final ChannelPipeline addLast(EventExecutorGroup executor, ChannelHandler... handlers) {
    for (ChannelHandler h: handlers) {
        addLast(executor, null, h);
    }
    return this;
}

public final ChannelPipeline addLast(EventExecutorGroup group, String name, ChannelHandler handler) {
    final AbstractChannelHandlerContext newCtx;
    synchronized (this) {
        // 1.检查是否有重复handler
        checkMultiplicity(handler);
        // 2.创建节点
        newCtx = newContext(group, filterName(name, handler), handler);
        // 3.添加节点
        addLast0(newCtx);
    }
   
    // 4.回调用户方法
    callHandlerAdded0(handler);
    
    return this;
}

这里简单地用synchronized方法是为了防止多线程并发操作pipeline底层的双向链表

我们还是逐步分析上面这段代码

1.检查是否有重复handler

在用户代码添加一条handler的时候，首先会查看该handler有没有添加过

private static void checkMultiplicity(ChannelHandler handler) {
    if (handler instanceof ChannelHandlerAdapter) {
        ChannelHandlerAdapter h = (ChannelHandlerAdapter) handler;
        if (!h.isSharable() && h.added) {
            throw new ChannelPipelineException(
                    h.getClass().getName() +
                    " is not a @Sharable handler, so can't be added or removed multiple times.");
        }
        h.added = true;
    }
}

netty使用一个成员变量added标识一个channel是否已经添加，上面这段代码很简单，如果当前要添加的Handler是非共享的，并且已经添加过，那就抛出异常，否则，标识该handler已经添加

由此可见，一个Handler如果是sharable的，就可以无限次被添加到pipeline中，我们客户端代码如果要让一个Handler被共用，只需要加一个@Sharable标注即可，如下

@Sharable
public class BusinessHandler {
    
}

而如果Handler是sharable的，一般就通过spring的注入的方式使用，不需要每次都new 一个

isSharable() 方法正是通过该Handler对应的类是否标注@Sharable来实现的

ChannelHandlerAdapter

public boolean isSharable() {
   Class<?> clazz = getClass();
    Map<Class<?>, Boolean> cache = InternalThreadLocalMap.get().handlerSharableCache();
    Boolean sharable = cache.get(clazz);
    if (sharable == null) {
        sharable = clazz.isAnnotationPresent(Sharable.class);
        cache.put(clazz, sharable);
    }
    return sharable;
}

这里也可以看到，netty为了性能优化到极致，还使用了ThreadLocal来缓存Handler的状态，高并发海量连接下，每次有新连接添加Handler都会创建调用此方法

2.创建节点

回到主流程，看创建上下文这段代码

newCtx = newContext(group, filterName(name, handler), handler);

这里我们需要先分析 filterName(name, handler) 这段代码，这个函数用于给handler创建一个唯一性的名字

private String filterName(String name, ChannelHandler handler) {
    if (name == null) {
        return generateName(handler);
    }
    checkDuplicateName(name);
    return name;
}

显然，我们传入的name为null，netty就给我们生成一个默认的name，否则，检查是否有重名，检查通过的话就返回

netty创建默认name的规则为 简单类名#0，下面我们来看些具体是怎么实现的

private static final FastThreadLocal<Map<Class<?>, String>> nameCaches =
        new FastThreadLocal<Map<Class<?>, String>>() {
    @Override
    protected Map<Class<?>, String> initialValue() throws Exception {
        return new WeakHashMap<Class<?>, String>();
    }
};

private String generateName(ChannelHandler handler) {
    // 先查看缓存中是否有生成过默认name
    Map<Class<?>, String> cache = nameCaches.get();
    Class<?> handlerType = handler.getClass();
    String name = cache.get(handlerType);
    // 没有生成过，就生成一个默认name，加入缓存 
    if (name == null) {
        name = generateName0(handlerType);
        cache.put(handlerType, name);
    }

    // 生成完了，还要看默认name有没有冲突
    if (context0(name) != null) {
        String baseName = name.substring(0, name.length() - 1);
        for (int i = 1;; i ++) {
            String newName = baseName + i;
            if (context0(newName) == null) {
                name = newName;
                break;
            }
        }
    }
    return name;
}

netty使用一个 FastThreadLocal(后面的文章会细说)变量来缓存Handler的类和默认名称的映射关系，在生成name的时候，首先查看缓存中有没有生成过默认name(简单类名#0)，如果没有生成，就调用generateName0()生成默认name，然后加入缓存

接下来还需要检查name是否和已有的name有冲突，调用context0()，查找pipeline里面有没有对应的context

private AbstractChannelHandlerContext context0(String name) {
    AbstractChannelHandlerContext context = head.next;
    while (context != tail) {
        if (context.name().equals(name)) {
            return context;
        }
        context = context.next;
    }
    return null;
}

context0()方法链表遍历每一个 ChannelHandlerContext，只要发现某个context的名字与待添加的name相同，就返回该context，最后抛出异常，可以看到，这个其实是一个线性搜索的过程

如果context0(name) != null 成立，说明现有的context里面已经有了一个默认name，那么就从 简单类名#1 往上一直找，直到找到一个唯一的name，比如简单类名#3

如果用户代码在添加Handler的时候指定了一个name，那么要做到事仅仅为检查一下是否有重复

private void checkDuplicateName(String name) {
    if (context0(name) != null) {
        throw new IllegalArgumentException("Duplicate handler name: " + name);
    }
}

处理完name之后，就进入到创建context的过程，由前面的调用链得知，group为null，因此childExecutor(group)也返回null

DefaultChannelPipeline

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

private EventExecutor childExecutor(EventExecutorGroup group) {
    if (group == null) {
        return null;
    }
    //..
}

DefaultChannelHandlerContext

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;
}

构造函数中，DefaultChannelHandlerContext将参数回传到父类，保存Handler的引用，进入到其父类

AbstractChannelHandlerContext

AbstractChannelHandlerContext(DefaultChannelPipeline pipeline, EventExecutor executor, String name,
                              boolean inbound, boolean outbound) {
    this.name = ObjectUtil.checkNotNull(name, "name");
    this.pipeline = pipeline;
    this.executor = executor;
    this.inbound = inbound;
    this.outbound = outbound;
}

netty中用两个字段来表示这个channelHandlerContext属于inBound还是outBound，或者两者都是，两个boolean是通过下面两个小函数来判断(见上面一段代码)

DefaultChannelHandlerContext

private static boolean isInbound(ChannelHandler handler) {
    return handler instanceof ChannelInboundHandler;
}

private static boolean isOutbound(ChannelHandler handler) {
    return handler instanceof ChannelOutboundHandler;
}

通过instanceof关键字根据接口类型来判断，因此，如果一个Handler实现了两类接口，那么他既是一个inBound类型的Handler，又是一个outBound类型的Handler，比如下面这个类

常用的，将decode操作和encode操作合并到一起的codec，一般会继承 MessageToMessageCodec，而MessageToMessageCodec就是继承ChannelDuplexHandler

MessageToMessageCodec

public abstract class MessageToMessageCodec<INBOUND_IN, OUTBOUND_IN> extends ChannelDuplexHandler {

    protected abstract void encode(ChannelHandlerContext ctx, OUTBOUND_IN msg, List<Object> out)
            throws Exception;

    protected abstract void decode(ChannelHandlerContext ctx, INBOUND_IN msg, List<Object> out)
            throws Exception;
 }

context 创建完了之后，接下来终于要将创建完毕的context加入到pipeline中去了

3.添加节点

private void addLast0(AbstractChannelHandlerContext newCtx) {
    AbstractChannelHandlerContext prev = tail.prev;
    newCtx.prev = prev; // 1
    newCtx.next = tail; // 2
    prev.next = newCtx; // 3
    tail.prev = newCtx; // 4
}

用下面这幅图可见简单的表示这段过程，说白了，其实就是一个双向链表的插入操作

操作完毕，该context就加入到pipeline中

到这里，pipeline添加节点的操作就完成了，你可以根据此思路掌握所有的addxxx()系列方法

4.回调用户方法

AbstractChannelHandlerContext

private void callHandlerAdded0(final AbstractChannelHandlerContext ctx) {
    ctx.handler().handlerAdded(ctx);
    ctx.setAddComplete();
}

到了第四步，pipeline中的新节点添加完成，于是便开始回调用户代码 ctx.handler().handlerAdded(ctx);，常见的用户代码如下

AbstractChannelHandlerContext

public class DemoHandler extends SimpleChannelInboundHandler<...> {
    @Override
    public void handlerAdded(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        // 节点被添加完毕之后回调到此
        // do something
    }
}

接下来，设置该节点的状态

AbstractChannelHandlerContext

final void setAddComplete() {
    for (;;) {
        int oldState = handlerState;
        if (oldState == REMOVE_COMPLETE || HANDLER_STATE_UPDATER.compareAndSet(this, oldState, ADD_COMPLETE)) {
            return;
        }
    }
}

用cas修改节点的状态至：REMOVE_COMPLETE（说明该节点已经被移除） 或者 ADD_COMPLETE

pipeline删除节点

netty 有个最大的特性之一就是Handler可插拔，做到动态编织pipeline，比如在首次建立连接的时候，需要通过进行权限认证，在认证通过之后，就可以将此context移除，下次pipeline在传播事件的时候就就不会调用到权限认证处理器

下面是权限认证Handler最简单的实现，第一个数据包传来的是认证信息，如果校验通过，就删除此Handler，否则，直接关闭连接

public class AuthHandler extends SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf> {
    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf data) throws Exception {
        if (verify(authDataPacket)) {
            ctx.pipeline().remove(this);
        } else {
            ctx.close();
        }
    }

    private boolean verify(ByteBuf byteBuf) {
        //...
    }
}

重点就在 ctx.pipeline().remove(this) 这段代码

@Override
public final ChannelPipeline remove(ChannelHandler handler) {
    remove(getContextOrDie(handler));
    
    return this;
}

remove操作相比add简单不少，分为三个步骤：

1.找到待删除的节点
2.调整双向链表指针删除
3.回调用户函数

1.找到待删除的节点

DefaultChannelPipeline

private AbstractChannelHandlerContext getContextOrDie(ChannelHandler handler) {
    AbstractChannelHandlerContext ctx = (AbstractChannelHandlerContext) context(handler);
    if (ctx == null) {
        throw new NoSuchElementException(handler.getClass().getName());
    } else {
        return ctx;
    }
}

@Override
public final ChannelHandlerContext context(ChannelHandler handler) {
    if (handler == null) {
        throw new NullPointerException("handler");
    }

    AbstractChannelHandlerContext ctx = head.next;
    for (;;) {

        if (ctx == null) {
            return null;
        }

        if (ctx.handler() == handler) {
            return ctx;
        }

        ctx = ctx.next;
    }
}

这里为了找到Handler对应的context，照样是通过依次遍历双向链表的方式，直到某一个context的Handler和当前Handler相同，便找到了该节点

2.调整双向链表指针删除

DefaultChannelPipeline

private AbstractChannelHandlerContext remove(final AbstractChannelHandlerContext ctx) {
    assert ctx != head && ctx != tail;

    synchronized (this) {
        // 2.调整双向链表指针删除
        remove0(ctx);
    }
    // 3.回调用户函数
    callHandlerRemoved0(ctx);
    return ctx;
}

private static void remove0(AbstractChannelHandlerContext ctx) {
    AbstractChannelHandlerContext prev = ctx.prev;
    AbstractChannelHandlerContext next = ctx.next;
    prev.next = next; // 1
    next.prev = prev; // 2
}

经历的过程要比添加节点要简单，可以用下面一幅图来表示

最后的结果为

结合这两幅图，可以很清晰地了解权限验证Handler的工作原理，另外，被删除的节点因为没有对象引用到，果过段时间就会被gc自动回收

3.回调用户函数

private void callHandlerRemoved0(final AbstractChannelHandlerContext ctx) {
    try {
        ctx.handler().handlerRemoved(ctx);
    } finally {
        ctx.setRemoved();
    }
}

到了第三步，pipeline中的节点删除完成，于是便开始回调用户代码 ctx.handler().handlerRemoved(ctx);，常见的代码如下

AbstractChannelHandlerContext

public class DemoHandler extends SimpleChannelInboundHandler<...> {
    @Override
    public void handlerRemoved(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        // 节点被删除完毕之后回调到此，可做一些资源清理
        // do something
    }
}

最后，将该节点的状态设置为removed

final void setRemoved() {
    handlerState = REMOVE_COMPLETE;
}

removexxx系列的其他方法族大同小异，你可以根据上面的思路展开其他的系列方法，这里不再赘述

总结

1.以新连接创建为例，新连接创建的过程中创建channel，而在创建channel的过程中创建了该channel对应的pipeline，创建完pipeline之后，自动给该pipeline添加了两个节点，即ChannelHandlerContext，ChannelHandlerContext中有用pipeline和channel所有的上下文信息。

2.pipeline是双向个链表结构，添加和删除节点均只需要调整链表结构

3.pipeline中的每个节点包着具体的处理器ChannelHandler，节点根据ChannelHandler的类型是ChannelInboundHandler还是ChannelOutboundHandler来判断该节点属于in还是out或者两者都是

下一篇文章将继续pipeline的分析，敬请期待！

如果你觉得看的不过瘾，想系统学习Netty原理，那么你一定不要错过我的Netty源码分析系列视频：https://coding.imooc.com/class/230.html