详细图解Netty Reactor启动全流程 | 万字长文 | 多图预警

bin的技术小屋 • 2023-01-02 • 云技术社区 • 261 阅读

本系列Netty源码解析文章基于 4.1.56.Final版本

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大家第一眼看到这幅流程图，是不是脑瓜子嗡嗡的呢？

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大家先不要惊慌，问题不大，本文笔者的目的就是要让大家清晰的理解这幅流程图，从而深刻的理解Netty Reactor的启动全流程，包括其中涉及到的各种代码设计实现细节。

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在上篇文章《聊聊Netty那些事儿之Reactor在Netty中的实现(创建篇)》中我们详细介绍了Netty服务端核心引擎组件主从Reactor组模型 NioEventLoopGroup以及Reactor模型 NioEventLoop的创建过程。最终我们得到了netty Reactor模型的运行骨架如下：

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现在Netty服务端程序的骨架是搭建好了，本文我们就基于这个骨架来深入剖析下Netty服务端的启动过程。

我们继续回到上篇文章提到的Netty服务端代码模板中，在创建完主从Reactor线程组:bossGroup，workerGroup后，接下来就开始配置Netty服务端的启动辅助类ServerBootstrap了。

public final class EchoServer {
    static final int PORT = Integer.parseInt(System.getProperty("port", "8007"));

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // Configure the server.
        //创建主从Reactor线程组
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        final EchoServerHandler serverHandler = new EchoServerHandler();
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(bossGroup, workerGroup)//配置主从Reactor
             .channel(NioServerSocketChannel.class)//配置主Reactor中的channel类型
             .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 100)//设置主Reactor中channel的option选项
             .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))//设置主Reactor中Channel->pipline->handler
             .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {//设置从Reactor中注册channel的pipeline
                 @Override
                 public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                     ChannelPipeline p = ch.pipeline();
                     //p.addLast(new LoggingHandler(LogLevel.INFO));
                     p.addLast(serverHandler);
                 }
             });

            // Start the server. 绑定端口启动服务，开始监听accept事件
            ChannelFuture f = b.bind(PORT).sync();
            // Wait until the server socket is closed.
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            // Shut down all event loops to terminate all threads.
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

在上篇文章中我们对代码模板中涉及到ServerBootstrap的一些配置方法做了简单的介绍，大家如果忘记的话，可以在返回去回顾一下。

ServerBootstrap类其实没有什么特别的逻辑，主要是对Netty启动过程中需要用到的一些核心信息进行配置管理，比如：

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Netty的核心引擎组件主从Reactor线程组： bossGroup，workerGroup。通过ServerBootstrap#group方法配置。
Netty服务端使用到的Channel类型：NioServerSocketChannel ,通过ServerBootstrap#channel方法配置。
以及配置NioServerSocketChannel时用到的SocketOption。SocketOption用于设置底层JDK NIO Socket的一些选项。通过ServerBootstrap#option方法进行配置。

主ReactorGroup中的MainReactor管理的Channel类型为NioServerSocketChannel，如图所示主要用来监听端口，接收客户端连接，为客户端创建初始化NioSocketChannel，然后采用round-robin轮询的方式从图中从ReactorGroup中选择一个SubReactor与该客户端NioSocketChannel进行绑定。

从ReactorGroup中的SubReactor管理的Channel类型为NioSocketChannel，它是netty中定义客户端连接的一个模型，每个连接对应一个。如图所示SubReactor负责监听处理绑定在其上的所有NioSocketChannel上的IO事件。

保存服务端NioServerSocketChannel和客户端NioSocketChannel对应pipeline中指定的ChannelHandler。用于后续Channel向Reactor注册成功之后，初始化Channel里的pipeline。

不管是服务端用到的NioServerSocketChannel还是客户端用到的NioSocketChannel，每个Channel实例都会有一个Pipeline，Pipeline中有多个ChannelHandler用于编排处理对应Channel上感兴趣的IO事件。

ServerBootstrap结构中包含了netty服务端程序启动的所有配置信息，在我们介绍启动流程之前，先来看下ServerBootstrap的源码结构：

ServerBootstrap

image.png

ServerBootstrap的继承结构比较简单，继承层次的职责分工也比较明确。

ServerBootstrap主要负责对主从Reactor线程组相关的配置进行管理，其中带child前缀的配置方法是对从Reactor线程组的相关配置管理。从Reactor线程组中的Sub Reactor负责管理的客户端NioSocketChannel相关配置存储在ServerBootstrap结构中。

父类AbstractBootstrap则是主要负责对主Reactor线程组相关的配置进行管理，以及主Reactor线程组中的Main Reactor负责处理的服务端ServerSocketChannel相关的配置管理。

1. 配置主从Reactor线程组

ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.group(bossGroup, workerGroup)//配置主从Reactor

public class ServerBootstrap extends AbstractBootstrap<ServerBootstrap, ServerChannel> {

     //Main Reactor线程组
    volatile EventLoopGroup group;
    //Sub Reactor线程组
    private volatile EventLoopGroup childGroup;

    public ServerBootstrap group(EventLoopGroup parentGroup, EventLoopGroup childGroup) {
        //父类管理主Reactor线程组
        super.group(parentGroup);
        if (this.childGroup != null) {
            throw new IllegalStateException("childGroup set already");
        }
        this.childGroup = ObjectUtil.checkNotNull(childGroup, "childGroup");
        return this;
    }

}

2. 配置服务端ServerSocketChannel

ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.channel(NioServerSocketChannel.class);

public class ServerBootstrap extends AbstractBootstrap<ServerBootstrap, ServerChannel> {

    //用于创建ServerSocketChannel  ReflectiveChannelFactory
    private volatile ChannelFactory<? extends C> channelFactory;

    public B channel(Class<? extends C> channelClass) {
        return channelFactory(new ReflectiveChannelFactory<C>(
                ObjectUtil.checkNotNull(channelClass, "channelClass")
        ));
    }

    @Deprecated
    public B channelFactory(ChannelFactory<? extends C> channelFactory) {
        ObjectUtil.checkNotNull(channelFactory, "channelFactory");
        if (this.channelFactory != null) {
            throw new IllegalStateException("channelFactory set already");
        }

        this.channelFactory = channelFactory;
        return self();
    }

}

在向ServerBootstrap配置服务端ServerSocketChannel的channel方法中，其实是创建了一个ChannelFactory工厂实例ReflectiveChannelFactory,在Netty服务端启动的过程中，会通过这个ChannelFactory去创建相应的Channel实例。

我们可以通过这个方法来配置netty的IO模型，下面为ServerSocketChannel在不同IO模型下的实现：

BIO	NIO	AIO
OioServerSocketChannel	NioServerSocketChannel	AioServerSocketChannel

EventLoopGroupReactor线程组在不同IO模型下的实现：

BIO	NIO	AIO
ThreadPerChannelEventLoopGroup	NioEventLoopGroup	AioEventLoopGroup

我们只需要将IO模型的这些核心接口对应的实现类前缀改为对应IO模型的前缀，就可以轻松在Netty中完成对IO模型的切换。

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2.1 ReflectiveChannelFactory

public class ReflectiveChannelFactory<T extends Channel> implements ChannelFactory<T> {
    //NioServerSocketChannelde 构造器
    private final Constructor<? extends T> constructor;

    public ReflectiveChannelFactory(Class<? extends T> clazz) {
        ObjectUtil.checkNotNull(clazz, "clazz");
        try {
            //反射获取NioServerSocketChannel的构造器
            this.constructor = clazz.getConstructor();
        } catch (NoSuchMethodException e) {
            throw new IllegalArgumentException("Class " + StringUtil.simpleClassName(clazz) +
                    " does not have a public non-arg constructor", e);
        }
    }

    @Override
    public T newChannel() {
        try {
            //创建NioServerSocketChannel实例
            return constructor.newInstance();
        } catch (Throwable t) {
            throw new ChannelException("Unable to create Channel from class " + constructor.getDeclaringClass(), t);
        }
    }
}

从类的签名我们可以看出，这个工厂类是通过泛型加反射的方式来创建对应的Channel实例。

泛型参数T extends Channel表示的是要通过工厂类创建的Channel类型，这里我们初始化的是NioServerSocketChannel。
在ReflectiveChannelFactory的构造器中通过反射的方式获取NioServerSocketChannel的构造器。
在newChannel方法中通过构造器反射创建NioServerSocketChannel实例。

注意这时只是配置阶段，NioServerSocketChannel此时并未被创建。它是在启动的时候才会被创建出来。

3. 为NioServerSocketChannel配置ChannelOption

ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
//设置被MainReactor管理的NioServerSocketChannel的Socket选项
b.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 100)

public abstract class AbstractBootstrap<B extends AbstractBootstrap<B, C>, C extends Channel> implements Cloneable {

    //serverSocketChannel中的ChannelOption配置
    private final Map<ChannelOption<?>, Object> options = new LinkedHashMap<ChannelOption<?>, Object>();

    public <T> B option(ChannelOption<T> option, T value) {
        ObjectUtil.checkNotNull(option, "option");
        synchronized (options) {
            if (value == null) {
                options.remove(option);
            } else {
                options.put(option, value);
            }
        }
        return self();
    }
}

无论是服务端的NioServerSocketChannel还是客户端的NioSocketChannel它们的相关底层Socket选项ChannelOption配置全部存放于一个Map类型的数据结构中。

由于客户端NioSocketChannel是由从Reactor线程组中的Sub Reactor来负责处理，所以涉及到客户端NioSocketChannel所有的方法和配置全部是以child前缀开头。

ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
.childOption(ChannelOption.TCP_NODELAY, Boolean.TRUE)

public class ServerBootstrap extends AbstractBootstrap<ServerBootstrap, ServerChannel> {

   //客户端SocketChannel对应的ChannelOption配置
    private final Map<ChannelOption<?>, Object> childOptions = new LinkedHashMap<ChannelOption<?>, Object>();

    public <T> ServerBootstrap childOption(ChannelOption<T> childOption, T value) {
        ObjectUtil.checkNotNull(childOption, "childOption");
        synchronized (childOptions) {
            if (value == null) {
                childOptions.remove(childOption);
            } else {
                childOptions.put(childOption, value);
            }
        }
        return this;
    }
}

相关的底层Socket选项，netty全部枚举在ChannelOption类中，笔者这里就不一一列举了，在本系列后续相关的文章中，笔者还会为大家详细的介绍这些参数的作用。

public class ChannelOption<T> extends AbstractConstant<ChannelOption<T>> {

    ..................省略..............

    public static final ChannelOption<Boolean> SO_BROADCAST = valueOf("SO_BROADCAST");
    public static final ChannelOption<Boolean> SO_KEEPALIVE = valueOf("SO_KEEPALIVE");
    public static final ChannelOption<Integer> SO_SNDBUF = valueOf("SO_SNDBUF");
    public static final ChannelOption<Integer> SO_RCVBUF = valueOf("SO_RCVBUF");
    public static final ChannelOption<Boolean> SO_REUSEADDR = valueOf("SO_REUSEADDR");
    public static final ChannelOption<Integer> SO_LINGER = valueOf("SO_LINGER");
    public static final ChannelOption<Integer> SO_BACKLOG = valueOf("SO_BACKLOG");
    public static final ChannelOption<Integer> SO_TIMEOUT = valueOf("SO_TIMEOUT");

    ..................省略..............

}

4. 为服务端NioServerSocketChannel中的Pipeline配置ChannelHandler

    //serverSocketChannel中pipeline里的handler(主要是acceptor)
    private volatile ChannelHandler handler;

    public B handler(ChannelHandler handler) {
        this.handler = ObjectUtil.checkNotNull(handler, "handler");
        return self();
    }

向NioServerSocketChannel中的Pipeline添加ChannelHandler分为两种方式：

显式添加： 显式添加的方式是由用户在main线程中通过ServerBootstrap#handler的方式添加。如果需要添加多个ChannelHandler，则可以通过ChannelInitializer向pipeline中进行添加。

关于ChannelInitializer后面笔者会有详细介绍，这里大家只需要知道ChannelInitializer是一种特殊的ChannelHandler，用于初始化pipeline。适用于向pipeline中添加多个ChannelHandler的场景。

            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(bossGroup, workerGroup)//配置主从Reactor
             .channel(NioServerSocketChannel.class)//配置主Reactor中的channel类型
             .handler(new ChannelInitializer<NioServerSocketChannel>() {
                 @Override
                 protected void initChannel(NioServerSocketChannel ch) throws Exception {
                     ChannelPipeline p = ch.pipeline();
                     p.addLast(channelhandler1)
                      .addLast(channelHandler2)
                      
                      ......
                     
                      .addLast(channelHandler3);
                 }
             })

隐式添加：隐式添加主要添加的就是主ReactorGroup的核心组件也就是下图中的acceptor，Netty中的实现为ServerBootstrapAcceptor，本质上也是一种ChannelHandler，主要负责在客户端连接建立好后，初始化客户端NioSocketChannel，在从Reactor线程组中选取一个Sub Reactor，将客户端NioSocketChannel 注册到Sub Reactor中的selector上。

隐式添加ServerBootstrapAcceptor是由Netty框架在启动的时候负责添加，用户无需关心。

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在本例中，NioServerSocketChannel的PipeLine中只有两个ChannelHandler,一个由用户在外部显式添加的LoggingHandler,另一个是由Netty框架隐式添加的ServerBootstrapAcceptor。

其实我们在实际项目使用的过程中，不会向netty服务端NioServerSocketChannel添加额外的ChannelHandler，NioServerSocketChannel只需要专心做好自己最重要的本职工作接收客户端连接就好了。这里额外添加一个LoggingHandler只是为了向大家展示ServerBootstrap的配置方法。

5. 为客户端NioSocketChannel中的Pipeline配置ChannelHandler

            final EchoServerHandler serverHandler = new EchoServerHandler();

            serverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {//设置从Reactor中注册channel的pipeline
                 @Override
                 public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                     ChannelPipeline p = ch.pipeline();
            
                     p.addLast(new LoggingHandler(LogLevel.INFO));
                     p.addLast(serverHandler);
                 }
             });

    //socketChannel中pipeline中的处理handler
    private volatile ChannelHandler childHandler;

    public ServerBootstrap childHandler(ChannelHandler childHandler) {
        this.childHandler = ObjectUtil.checkNotNull(childHandler, "childHandler");
        return this;
    }

向客户端NioSocketChannel中的Pipeline里添加ChannelHandler完全是由用户自己控制显式添加，添加的数量不受限制。

由于在Netty的IO线程模型中，是由单个Sub Reactor线程负责执行客户端NioSocketChannel中的Pipeline，一个Sub Reactor线程负责处理多个NioSocketChannel上的IO事件，如果Pipeline中的ChannelHandler添加的太多，就会影响Sub Reactor线程执行其他NioSocketChannel上的Pipeline，从而降低IO处理效率，降低吞吐量。

image.png

所以Pipeline中的ChannelHandler不易添加过多，并且不能再ChannelHandler中执行耗时的业务处理任务。

在我们通过ServerBootstrap配置netty服务端启动信息的时候，无论是向服务端NioServerSocketChannel的pipeline中添加ChannelHandler，还是向客户端NioSocketChannel的pipeline中添加ChannelHandler，当涉及到多个ChannelHandler添加的时候，我们都会用到ChannelInitializer，那么这个ChannelInitializer究竟是何方圣神，为什么要这样做呢？我们接着往下看~~

ChannelInitializer

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首先ChannelInitializer它继承于ChannelHandler，它自己本身就是一个ChannelHandler，所以它可以添加到childHandler中。

其他的父类大家这里可以不用管，后面文章中笔者会一一为大家详细介绍。

那为什么不直接添加ChannelHandler而是选择用ChannelInitializer呢？

这里主要有两点原因：

前边我们提到，客户端NioSocketChannel是在服务端accept连接后，在服务端NioServerSocketChannel中被创建出来的。但是此时我们正处于配置ServerBootStrap阶段，服务端还没有启动，更没有客户端连接上来，此时客户端NioSocketChannel还没有被创建出来，所以也就没办法向客户端NioSocketChannel的pipeline中添加ChannelHandler。
客户端NioSocketChannel中Pipeline里可以添加任意多个ChannelHandler，但是Netty框架无法预知用户到底需要添加多少个ChannelHandler，所以Netty框架提供了回调函数ChannelInitializer#initChannel，使用户可以自定义ChannelHandler的添加行为。

当客户端NioSocketChannel注册到对应的Sub Reactor上后，紧接着就会初始化NioSocketChannel中的Pipeline，此时Netty框架会回调ChannelInitializer#initChannel执行用户自定义的添加逻辑。

public abstract class ChannelInitializer<C extends Channel> extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    @Override
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public final void channelRegistered(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        //当channelRegister事件发生时，调用initChannel初始化pipeline
        if (initChannel(ctx)) {
                 .................省略...............
        } else {
                 .................省略...............
        }
    }

    private boolean initChannel(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        if (initMap.add(ctx)) { // Guard against re-entrance.
            try {
                //此时客户单NioSocketChannel已经创建并初始化好了
                initChannel((C) ctx.channel());
            } catch (Throwable cause) {
                 .................省略...............
            } finally {
                  .................省略...............
            }
            return true;
        }
        return false;
    }

    protected abstract void initChannel(C ch) throws Exception;
    
    .................省略...............
}

这里由netty框架回调的ChannelInitializer#initChannel方法正是我们自定义的添加逻辑。

            final EchoServerHandler serverHandler = new EchoServerHandler();

            serverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {//设置从Reactor中注册channel的pipeline
                 @Override
                 public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                     ChannelPipeline p = ch.pipeline();
            
                     p.addLast(new LoggingHandler(LogLevel.INFO));
                     p.addLast(serverHandler);
                 }
             });

到此为止，Netty服务端启动所需要的必要配置信息，已经全部存入ServerBootStrap启动辅助类中。

接下来要做的事情就是服务端的启动了。

// Start the server. 绑定端口启动服务，开始监听accept事件
ChannelFuture f = serverBootStrap.bind(PORT).sync();

Netty服务端的启动

经过前面的铺垫终于来到了本文的核心内容----Netty服务端的启动过程。

如代码模板中的示例所示，Netty服务端的启动过程封装在io.netty.bootstrap.AbstractBootstrap#bind(int)函数中。

接下来我们看一下Netty服务端在启动过程中究竟干了哪些事情？

image.png

大家看到这副启动流程图先不要慌，接下来的内容笔者会带大家各个击破它，在文章的最后保证让大家看懂这副流程图。

我们先来从netty服务端启动的入口函数开始我们今天的源码解析旅程：

    public ChannelFuture bind(int inetPort) {
        return bind(new InetSocketAddress(inetPort));
    }

    public ChannelFuture bind(SocketAddress localAddress) {
        //校验Netty核心组件是否配置齐全
        validate();
        //服务端开始启动，绑定端口地址，接收客户端连接
        return doBind(ObjectUtil.checkNotNull(localAddress, "localAddress"));
    }

   private ChannelFuture doBind(final SocketAddress localAddress) {
        //异步创建，初始化，注册ServerSocketChannel到main reactor上
        final ChannelFuture regFuture = initAndRegister();
        final Channel channel = regFuture.channel();
        if (regFuture.cause() != null) {
            return regFuture;
        }

        if (regFuture.isDone()) {   

           ........serverSocketChannel向Main Reactor注册成功后开始绑定端口....,               
             
        } else {
            //如果此时注册操作没有完成，则向regFuture添加operationComplete回调函数，注册成功后回调。
            regFuture.addListener(new ChannelFutureListener() {
                @Override
                public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {

                   ........serverSocketChannel向Main Reactor注册成功后开始绑定端口...., 
            });
            return promise;
        }
    }

Netty服务端的启动流程总体如下：

创建服务端NioServerSocketChannel并初始化。
将服务端NioServerSocketChannel注册到主Reactor线程组中。
注册成功后，开始初始化NioServerSocketChannel中的pipeline，然后在pipeline中触发channelRegister事件。
随后由NioServerSocketChannel绑定端口地址。
绑定端口地址成功后，向NioServerSocketChannel对应的Pipeline中触发传播ChannelActive事件，在ChannelActive事件回调中向Main Reactor注册OP_ACCEPT事件，开始等待客户端连接。服务端启动完成。

当netty服务端启动成功之后，最终我们会得到如下结构的阵型，开始枕戈待旦，准备接收客户端的连接，Reactor开始运转。

image.png

接下来，我们就来看下Netty源码是如何实现以上步骤的~~

1. initAndRegister

image.png

    final ChannelFuture initAndRegister() {
        Channel channel = null;
        try {
            //创建NioServerSocketChannel
            //ReflectiveChannelFactory通过泛型，反射，工厂的方式灵活创建不同类型的channel
            channel = channelFactory.newChannel();
            //初始化NioServerSocketChannel
            init(channel);
        } catch (Throwable t) {
            ..............省略.................
        }

        //向MainReactor注册ServerSocketChannel
        ChannelFuture regFuture = config().group().register(channel);

           ..............省略.................

        return regFuture;
    }

从函数命名中我们可以看出，这个函数主要做的事情就是首先创建NioServerSocketChannel，并对NioServerSocketChannel进行初始化，最后将NioServerSocketChannel注册到Main Reactor中。

1.1 创建NioServerSocketChannel

还记得我们在介绍ServerBootstrap启动辅助类配置服务端ServerSocketChannel类型的时候提到的工厂类ReflectiveChannelFactory吗？

因为当时我们在配置ServerBootstrap启动辅助类的时候，还没到启动阶段，而配置阶段并不是创建具体ServerSocketChannel的时机。

所以Netty通过工厂模式将要创建的ServerSocketChannel的类型（通过泛型指定）以及创建的过程(封装在newChannel函数中)统统先封装在工厂类ReflectiveChannelFactory中。

ReflectiveChannelFactory通过泛型，反射，工厂的方式灵活创建不同类型的channel

等待创建时机来临，我们调用保存在ServerBootstrap中的channelFactory直接进行创建。

public class ReflectiveChannelFactory<T extends Channel> implements ChannelFactory<T> {

    private final Constructor<? extends T> constructor;

    @Override
    public T newChannel() {
        try {
            return constructor.newInstance();
        } catch (Throwable t) {
            throw new ChannelException("Unable to create Channel from class " + constructor.getDeclaringClass(), t);
        }
    }
}

下面我们来看下NioServerSocketChannel的构建过程：

1.1.1 NioServerSocketChannel

public class NioServerSocketChannel extends AbstractNioMessageChannel
                             implements io.netty.channel.socket.ServerSocketChannel {

    //SelectorProvider(用于创建Selector和Selectable Channels)
    private static final SelectorProvider DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER = SelectorProvider.provider();

    public NioServerSocketChannel() {
        this(newSocket(DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER));
    }

    //创建JDK NIO ServerSocketChannel
    private static ServerSocketChannel newSocket(SelectorProvider provider) {
        try {
            return provider.openServerSocketChannel();
        } catch (IOException e) {
            throw new ChannelException(
                    "Failed to open a server socket.", e);
        }
    }

     //ServerSocketChannel相关的配置
    private final ServerSocketChannelConfig config;

    public NioServerSocketChannel(ServerSocketChannel channel) {
        //父类AbstractNioChannel中保存JDK NIO原生ServerSocketChannel以及要监听的事件OP_ACCEPT
        super(null, channel, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        //DefaultChannelConfig中设置用于Channel接收数据用的buffer->AdaptiveRecvByteBufAllocator
        config = new NioServerSocketChannelConfig(this, javaChannel().socket());
    }

}

首先调用newSocket创建JDK NIO 原生ServerSocketChannel，这里调用了SelectorProvider#openServerSocketChannel来创建JDK NIO 原生ServerSocketChannel，我们在上篇文章《聊聊Netty那些事儿之Reactor在Netty中的实现(创建篇)》中详细的介绍了SelectorProvider相关内容，当时是用SelectorProvider来创建Reactor中的Selector。大家还记得吗？？
通过父类构造器设置NioServerSocketChannel感兴趣的IO事件,这里设置的是SelectionKey.OP_ACCEPT事件。并将JDK NIO 原生ServerSocketChannel封装起来。
创建Channel的配置类NioServerSocketChannelConfig，在配置类中封装了对Channel底层的一些配置行为，以及JDK中的ServerSocket。以及创建NioServerSocketChannel接收数据用的Buffer分配器AdaptiveRecvByteBufAllocator。

NioServerSocketChannelConfig没什么重要的东西，我们这里也不必深究，它就是管理NioServerSocketChannel相关的配置，这里唯一需要大家注意的是这个用于Channel接收数据用的Buffer分配器AdaptiveRecvByteBufAllocator，我们后面在介绍Netty如何接收连接的时候还会提到。

NioServerSocketChannel的整体构建过程介绍完了，现在我们来按照继承层次再回过头来看下NioServerSocketChannel的层次构建，来看下每一层都创建了什么，封装了什么，这些信息都是Channel的核心信息，所以有必要了解一下。

image.png

在NioServerSocketChannel的创建过程中，我们主要关注继承结构图中红框标注的三个类，其他的我们占时先不用管。

其中AbstractNioMessageChannel类主要是对NioServerSocketChannel底层读写行为的封装和定义，比如accept接收客户端连接。这个我们后续会介绍到，这里我们并不展开。

1.1.2 AbstractNioChannel

public abstract class AbstractNioChannel extends AbstractChannel {
   //JDK NIO原生Selectable Channel
    private final SelectableChannel ch;
    // Channel监听事件集合 这里是SelectionKey.OP_ACCEPT事件
    protected final int readInterestOp;

    protected AbstractNioChannel(Channel parent, SelectableChannel ch, int readInterestOp) {
        super(parent);
        this.ch = ch;
        this.readInterestOp = readInterestOp;
        try {
            //设置Channel为非阻塞 配合IO多路复用模型
            ch.configureBlocking(false);
        } catch (IOException e) {
            .............省略................
        }
    }
}

封装由SelectorProvider创建出来的JDK NIO原生ServerSocketChannel。
封装Channel在创建时指定感兴趣的IO事件，对于NioServerSocketChannel来说感兴趣的IO事件为OP_ACCEPT事件。
设置JDK NIO原生ServerSocketChannel为非阻塞模式，配合IO多路复用模型。

1.1.3 AbstractChannel

public abstract class AbstractChannel extends DefaultAttributeMap implements Channel {

    //channel是由创建层次的，比如ServerSocketChannel 是 SocketChannel的 parent
    private final Channel parent;
    //channel全局唯一ID machineId+processId+sequence+timestamp+random
    private final ChannelId id;
    //unsafe用于封装对底层socket的相关操作
    private final Unsafe unsafe;
    //为channel分配独立的pipeline用于IO事件编排
    private final DefaultChannelPipeline pipeline;

    protected AbstractChannel(Channel parent) {
        this.parent = parent;
        //channel全局唯一ID machineId+processId+sequence+timestamp+random
        id = newId();
        //unsafe用于定义实现对Channel的底层操作
        unsafe = newUnsafe();
        //为channel分配独立的pipeline用于IO事件编排
        pipeline = newChannelPipeline();
    }
}

Netty中的Channel创建是有层次的，这里的parent属性用来保存上一级的Channel，比如这里的NioServerSocketChannel是顶级Channel，所以它的parent = null。客户端NioSocketChannel是由NioServerSocketChannel创建的，所以它的parent = NioServerSocketChannel。
为Channel分配全局唯一的ChannelId。ChannelId由机器Id(machineId)，进程Id（processId），序列号（sequence），时间戳（timestamp），随机数（random）构成

   private DefaultChannelId() {
        data = new byte[MACHINE_ID.length + PROCESS_ID_LEN + SEQUENCE_LEN + TIMESTAMP_LEN + RANDOM_LEN];
        int i = 0;

        // machineId
        System.arraycopy(MACHINE_ID, 0, data, i, MACHINE_ID.length);
        i += MACHINE_ID.length;

        // processId
        i = writeInt(i, PROCESS_ID);

        // sequence
        i = writeInt(i, nextSequence.getAndIncrement());

        // timestamp (kind of)
        i = writeLong(i, Long.reverse(System.nanoTime()) ^ System.currentTimeMillis());

        // random
        int random = PlatformDependent.threadLocalRandom().nextInt();
        i = writeInt(i, random);
        assert i == data.length;

        hashCode = Arrays.hashCode(data);
    }

创建NioServerSocketChannel的底层操作类Unsafe。这里创建的是io.netty.channel.nio.AbstractNioMessageChannel.NioMessageUnsafe。

Unsafe为Channel接口的一个内部接口，用于定义实现对Channel底层的各种操作，Unsafe接口定义的操作行为只能由Netty框架的Reactor线程调用，用户线程禁止调用。

interface Unsafe {
        
        //分配接收数据用的Buffer
        RecvByteBufAllocator.Handle recvBufAllocHandle();

        //服务端绑定的端口地址
        SocketAddress localAddress();
        //远端地址
        SocketAddress remoteAddress();
        //channel向Reactor注册
        void register(EventLoop eventLoop, ChannelPromise promise);

        //服务端绑定端口地址
        void bind(SocketAddress localAddress, ChannelPromise promise);
        //客户端连接服务端
        void connect(SocketAddress remoteAddress, SocketAddress localAddress, ChannelPromise promise);
        //关闭channle
        void close(ChannelPromise promise);
        //读数据
        void beginRead();
        //写数据
        void write(Object msg, ChannelPromise promise);

    }

为NioServerSocketChannel分配独立的pipeline用于IO事件编排。pipeline其实是一个ChannelHandlerContext类型的双向链表。头结点HeadContext,尾结点TailContext。ChannelHandlerContext中包装着ChannelHandler。

ChannelHandlerContext保存 ChannelHandler上下文信息，用于事件传播。后面笔者会单独开一篇文章介绍，这里我们还是聚焦于启动主线。

这里只是为了让大家简单理解pipeline的一个大致的结构，后面会写一篇文章专门详细讲解pipeline。

    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;
        tail.prev = head;
    }

image.png

到了这里NioServerSocketChannel就创建完毕了，我们来回顾下它到底包含了哪些核心信息。

image.png

1.2 初始化NioServerSocketChannel

   void init(Channel channel) {
        //向NioServerSocketChannelConfig设置ServerSocketChannelOption
        setChannelOptions(channel, newOptionsArray(), logger);
        //向netty自定义的NioServerSocketChannel设置attributes
        setAttributes(channel, attrs0().entrySet().toArray(EMPTY_ATTRIBUTE_ARRAY));

        ChannelPipeline p = channel.pipeline();
        
        //获取从Reactor线程组
        final EventLoopGroup currentChildGroup = childGroup;
        //获取用于初始化客户端NioSocketChannel的ChannelInitializer
        final ChannelHandler currentChildHandler = childHandler;
        //获取用户配置的客户端SocketChannel的channelOption以及attributes
        final Entry<ChannelOption<?>, Object>[] currentChildOptions;
        synchronized (childOptions) {
            currentChildOptions = childOptions.entrySet().toArray(EMPTY_OPTION_ARRAY);
        }
        final Entry<AttributeKey<?>, Object>[] currentChildAttrs = childAttrs.entrySet().toArray(EMPTY_ATTRIBUTE_ARRAY);

        //向NioServerSocketChannel中的pipeline添加初始化ChannelHandler的逻辑
        p.addLast(new ChannelInitializer<Channel>() {
            @Override
            public void initChannel(final Channel ch) {
                final ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
                //ServerBootstrap中用户指定的channelHandler
                ChannelHandler handler = config.handler();
                if (handler != null) {
                    //LoggingHandler
                    pipeline.addLast(handler);
                }
                //添加用于接收客户端连接的acceptor
                ch.eventLoop().execute(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        pipeline.addLast(new ServerBootstrapAcceptor(
                                ch, currentChildGroup, currentChildHandler, currentChildOptions, currentChildAttrs));
                    }
                });
            }
        });
    }

向NioServerSocketChannelConfig设置ServerSocketChannelOption。
向netty自定义的NioServerSocketChannel设置ChannelAttributes

Netty自定义的SocketChannel类型均继承AttributeMap接口以及DefaultAttributeMap类，正是它们定义了ChannelAttributes。用于向Channel添加用户自定义的一些信息。

image.png

这个ChannelAttributes的用处大有可为，Netty后边的许多特性都是依靠这个ChannelAttributes来实现的。这里先卖个关子，大家可以自己先想一下可以用这个ChannelAttributes做哪些事情？

获取从Reactor线程组childGroup，以及用于初始化客户端NioSocketChannel的ChannelInitializer,ChannelOption,ChannelAttributes，这些信息均是由用户在启动的时候向ServerBootstrap添加的客户端NioServerChannel配置信息。这里用这些信息来初始化ServerBootstrapAcceptor。因为后续会在ServerBootstrapAcceptor中接收客户端连接以及创建NioServerChannel。
向NioServerSocketChannel中的pipeline添加用于初始化pipeline的ChannelInitializer。

问题来了，这里为什么不干脆直接将ChannelHandler添加到pipeline中，而是又使用到了ChannelInitializer呢？

其实原因有两点：

为了保证线程安全地初始化pipeline，所以初始化的动作需要由Reactor线程进行，而当前线程是用户程序的启动Main线程 并不是Reactor线程。这里不能立即初始化。
初始化Channel中pipeline的动作，需要等到Channel注册到对应的Reactor中才可以进行初始化，当前只是创建好了NioServerSocketChannel，但并未注册到Main Reactor上。初始化NioServerSocketChannel中pipeline的时机是：当NioServerSocketChannel注册到Main Reactor之后，绑定端口地址之前。

前边在介绍ServerBootstrap配置childHandler时也用到了ChannelInitializer，还记得吗？？

问题又来了，大家注意下ChannelInitializer#initChannel方法，在该初始化回调方法中，添加LoggingHandler是直接向pipeline中添加，而添加Acceptor为什么不是直接添加而是封装成异步任务呢？

这里先给大家卖个关子，笔者会在后续流程中为大家解答~

image.png

此时NioServerSocketChannel中的pipeline结构如下图所示：

image.png

1.3 向Main Reactor注册NioServerSocketChannel

从ServerBootstrap获取主Reactor线程组NioEventLoopGroup，将NioServerSocketChannel注册到NioEventLoopGroup中。

ChannelFuture regFuture = config().group().register(channel);

下面我们来看下具体的注册过程：

1.3.1 主Reactor线程组中选取一个Main Reactor进行注册

image.png

    @Override
    public ChannelFuture register(Channel channel) {
        return next().register(channel);
    }

    @Override
    public EventExecutor next() {
        return chooser.next();
    }

    //获取绑定策略
    @Override
    public EventExecutorChooser newChooser(EventExecutor[] executors) {
        if (isPowerOfTwo(executors.length)) {
            return new PowerOfTwoEventExecutorChooser(executors);
        } else {
            return new GenericEventExecutorChooser(executors);
        }
    }
    
    //采用轮询round-robin的方式选择Reactor
    @Override
    public EventExecutor next() {
            return executors[(int) Math.abs(idx.getAndIncrement() % executors.length)];
    }

Netty通过next()方法根据上篇文章《聊聊Netty那些事儿之Reactor在Netty中的实现(创建篇)》提到的channel到reactor的绑定策略，从ReactorGroup中选取一个Reactor进行注册绑定。之后Channel生命周期内的所有IO 事件都由这个Reactor 负责处理，如 accept、connect、read、write等 IO 事件。

一个channel只能绑定到一个Reactor上，一个Reactor负责监听多个channel。

image.png

由于这里是NioServerSocketChannle向Main Reactor进行注册绑定，所以Main Reactor主要负责处理的IO事件是OP_ACCEPT事件。

1.3.2 向绑定后的Main Reactor进行注册

image.png

向Reactor进行注册的行为定义在NioEventLoop的父类SingleThreadEventLoop中，印象模糊的同学可以在回看下上篇文章中的NioEventLoop继承结构小节内容。

public abstract class SingleThreadEventLoop extends SingleThreadEventExecutor implements EventLoop {

    @Override
    public ChannelFuture register(Channel channel) {
        //注册channel到绑定的Reactor上
        return register(new DefaultChannelPromise(channel, this));
    }

    @Override
    public ChannelFuture register(final ChannelPromise promise) {
        ObjectUtil.checkNotNull(promise, "promise");
        //unsafe负责channel底层的各种操作
        promise.channel().unsafe().register(this, promise);
        return promise;
    }
}

通过NioServerSocketChannel中的Unsafe类执行底层具体的注册动作。

protected abstract class AbstractUnsafe implements Unsafe {

        /**
         * 注册Channel到绑定的Reactor上
         * */
        @Override
        public final void register(EventLoop eventLoop, final ChannelPromise promise) {
            ObjectUtil.checkNotNull(eventLoop, "eventLoop");
            if (isRegistered()) {
                promise.setFailure(new IllegalStateException("registered to an event loop already"));
                return;
            }
            //EventLoop的类型要与Channel的类型一样  Nio Oio Aio
            if (!isCompatible(eventLoop)) {
                promise.setFailure(
                        new IllegalStateException("incompatible event loop type: " + eventLoop.getClass().getName()));
                return;
            }

            //在channel上设置绑定的Reactor
            AbstractChannel.this.eventLoop = eventLoop;

            /**
             * 执行channel注册的操作必须是Reactor线程来完成
             *
             * 1: 如果当前执行线程是Reactor线程，则直接执行register0进行注册
             * 2：如果当前执行线程是外部线程，则需要将register0注册操作 封装程异步Task 由Reactor线程执行
             * */
            if (eventLoop.inEventLoop()) {
                register0(promise);
            } else {
                try {
                    eventLoop.execute(new Runnable() {
                        @Override
                        public void run() {
                            register0(promise);
                        }
                    });
                } catch (Throwable t) {
                   ...............省略...............
                }
            }
        }
}

首先检查NioServerSocketChannel是否已经完成注册。如果以完成注册，则直接设置代表注册操作结果的ChannelPromise为fail状态。
通过isCompatible方法验证Reactor模型EventLoop是否与Channel的类型匹配。NioEventLoop对应于NioServerSocketChannel。

上篇文章我们介绍过 Netty对三种IO模型：Oio,Nio,Aio的支持，用户可以通过改变Netty核心类的前缀轻松切换IO模型。isCompatible方法目的就是需要保证Reactor和Channel使用的是同一种IO模型。

在Channel中保存其绑定的Reactor实例。
执行Channel向Reactor注册的动作必须要确保是在Reactor线程中执行。
- 如果当前线程是Reactor线程则直接执行注册动作register0
- 如果当前线程不是Reactor线程，则需要将注册动作register0封装成异步任务，存放在Reactor中的taskQueue中，等待Reactor线程执行。

当前执行线程并不是Reactor线程，而是用户程序的启动线程Main线程。

1.3.3 Reactor线程的启动

上篇文章中我们在介绍NioEventLoopGroup的创建过程中提到了一个构造器参数executor，它用于启动Reactor线程，类型为ThreadPerTaskExecutor。

当时笔者向大家卖了一个关子~~“Reactor线程是何时启动的?”

image.png

那么现在就到了为大家揭晓谜底的时候了~~

Reactor线程的启动是在向Reactor提交第一个异步任务的时候启动的。

Netty中的主Reactor线程组NioEventLoopGroup中的Main ReactorNioEventLoop是在用户程序Main线程向Main Reactor提交用于注册NioServerSocketChannel的异步任务时开始启动。

   eventLoop.execute(new Runnable() {
                        @Override
                        public void run() {
                            register0(promise);
                        }
                    });

接下来我们关注下NioEventLoop的execute方法

public abstract class SingleThreadEventExecutor extends AbstractScheduledEventExecutor implements OrderedEventExecutor {

    @Override
    public void execute(Runnable task) {
        ObjectUtil.checkNotNull(task, "task");
        execute(task, !(task instanceof LazyRunnable) && wakesUpForTask(task));
    }

    private void execute(Runnable task, boolean immediate) {
        //当前线程是否为Reactor线程
        boolean inEventLoop = inEventLoop();
        //addTaskWakesUp = true  addTask唤醒Reactor线程执行任务
        addTask(task);
        if (!inEventLoop) {
            //如果当前线程不是Reactor线程，则启动Reactor线程
            //这里可以看出Reactor线程的启动是通过 向NioEventLoop添加异步任务时启动的
            startThread();

            .....................省略.....................
        }
        .....................省略.....................
    }

}

首先将异步任务task添加到Reactor中的taskQueue中。
判断当前线程是否为Reactor线程，此时当前执行线程为用户程序启动线程，所以这里调用startThread启动Reactor线程。

1.3.4 startThread

public abstract class SingleThreadEventExecutor extends AbstractScheduledEventExecutor implements OrderedEventExecutor {
    //定义Reactor线程状态
    private static final int ST_NOT_STARTED = 1;
    private static final int ST_STARTED = 2;
    private static final int ST_SHUTTING_DOWN = 3;
    private static final int ST_SHUTDOWN = 4;
    private static final int ST_TERMINATED = 5;

     //Reactor线程状态  初始为 未启动状态
    private volatile int state = ST_NOT_STARTED;

    //Reactor线程状态字段state 原子更新器
    private static final AtomicIntegerFieldUpdater<SingleThreadEventExecutor> STATE_UPDATER =
    AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(SingleThreadEventExecutor.class, "state");

    private void startThread() {
        if (state == ST_NOT_STARTED) {
            if (STATE_UPDATER.compareAndSet(this, ST_NOT_STARTED, ST_STARTED)) {
                boolean success = false;
                try {
                    doStartThread();
                    success = true;
                } finally {
                    if (!success) {
                        STATE_UPDATER.compareAndSet(this, ST_STARTED, ST_NOT_STARTED);
                    }
                }
            }
        }
    }

}

Reactor线程初始化状态为ST_NOT_STARTED,首先CAS更新状态为ST_STARTED
doStartThread启动Reactor线程
启动失败的话，需要将Reactor线程状态改回ST_NOT_STARTED

    //ThreadPerTaskExecutor 用于启动Reactor线程
    private final Executor executor;

    private void doStartThread() {
        assert thread == null;
        executor.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                thread = Thread.currentThread();
                if (interrupted) {
                    thread.interrupt();
                }

                boolean success = false;
                updateLastExecutionTime();
                try {
                    //Reactor线程开始启动
                    SingleThreadEventExecutor.this.run();
                    success = true;
                }
              
                ................省略..............
        }

这里就来到了ThreadPerTaskExecutor类型的executor的用武之地了。

Reactor线程的核心工作之前介绍过：轮询所有注册其上的Channel中的IO就绪事件，处理对应Channel上的IO事件，执行异步任务。Netty将这些核心工作封装在io.netty.channel.nio.NioEventLoop#run方法中。

image.png

将NioEventLoop#run封装在异步任务中，提交给executor执行，Reactor线程至此开始工作了就。

public final class ThreadPerTaskExecutor implements Executor {
    private final ThreadFactory threadFactory;

    @Override
    public void execute(Runnable command) {
        //启动Reactor线程
        threadFactory.newThread(command).start();
    }
}

此时Reactor线程已经启动，后面的工作全部都由这个Reactor线程来负责执行了。

而用户启动线程在向Reactor提交完NioServerSocketChannel的注册任务register0后，就逐步退出调用堆栈，回退到最开始的启动入口处ChannelFuture f = b.bind(PORT).sync()。

此时Reactor中的任务队列中只有一个任务register0，Reactor线程启动后，会从任务队列中取出任务执行。

image.png

至此NioServerSocketChannel的注册工作正式拉开帷幕~~

image.png

1.3.5 register0

       //true if the channel has never been registered, false otherwise 
        private boolean neverRegistered = true;

        private void register0(ChannelPromise promise) {
            try {
                //查看注册操作是否已经取消，或者对应channel已经关闭
                if (!promise.setUncancellable() || !ensureOpen(promise)) {
                    return;
                }
                boolean firstRegistration = neverRegistered;
                //执行真正的注册操作
                doRegister();
                //修改注册状态
                neverRegistered = false;
                registered = true;
                //回调pipeline中添加的ChannelInitializer的handlerAdded方法，在这里初始化channelPipeline
                pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded();
                //设置regFuture为success，触发operationComplete回调,将bind操作放入Reactor的任务队列中，等待Reactor线程执行。
                safeSetSuccess(promise);
                //触发channelRegister事件
                pipeline.fireChannelRegistered();
                //对于服务端ServerSocketChannel来说 只有绑定端口地址成功后 channel的状态才是active的。
                //此时绑定操作作为异步任务在Reactor的任务队列中，绑定操作还没开始，所以这里的isActive()是false
                if (isActive()) {
                    if (firstRegistration) {
                        //触发channelActive事件
                        pipeline.fireChannelActive();
                    } else if (config().isAutoRead()) {
                        beginRead();
                    }
                }
            } catch (Throwable t) {
                 ............省略.............
            }
        }

register0是驱动整个Channel注册绑定流程的关键方法，下面我们来看下它的核心逻辑：

首先需要检查Channel的注册动作是否在Reactor线程外被取消了已经!promise.setUncancellable()。检查要注册的Channel是否已经关闭!ensureOpen(promise)。如果Channel已经关闭或者注册操作已经被取消，那么就直接返回，停止注册流程。
调用doRegister()方法，执行真正的注册操作。最终实现在AbstractChannel的子类AbstractNioChannel中，这个我们一会在介绍，先关注整体流程。

public abstract class AbstractChannel extends DefaultAttributeMap implements Channel {

   /**
     * Is called after the {@link Channel} is registered with its {@link EventLoop} as part of the register process.
     *
     * Sub-classes may override this method
     */
    protected void doRegister() throws Exception {
        // NOOP
    }

}

当Channel向Reactor注册完毕后，调用pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded()方法，触发回调pipeline中添加的ChannelInitializer的handlerAdded方法，在handlerAdded方法中利用前面提到的ChannelInitializer初始化ChannelPipeline。

image.png

初始化ChannelPipeline的时机是当Channel向对应的Reactor注册成功后，在handlerAdded事件回调中利用ChannelInitializer进行初始化。

设置regFuture为Success，并回调注册在regFuture上的ChannelFutureListener#operationComplete方法，在operationComplete回调方法中将绑定操作封装成异步任务，提交到Reactor的taskQueue中。等待Reactor的执行。

还记得这个regFuture在哪里出现的吗？它是在哪里被创建，又是在哪里添加的ChannelFutureListener呢？大家还有印象吗？回忆不起来也没关系，笔者后面还会提到

通过pipeline.fireChannelRegistered()在pipeline中触发channelRegister事件。

pipeline中channelHandler的channelRegistered方法被回调。

对于Netty服务端NioServerSocketChannel来说，只有绑定端口地址成功后 channel的状态才是active的。此时绑定操作在regFuture上注册的ChannelFutureListener#operationComplete回调方法中被作为异步任务提交到了Reactor的任务队列中，Reactor线程还没开始执行绑定任务。所以这里的isActive()是false。

当Reactor线程执行完register0方法后，才会去执行绑定任务。

下面我们来看下register0方法中这些核心步骤的具体实现：

1.3.6 doRegister()

public abstract class AbstractNioChannel extends AbstractChannel {

    //channel注册到Selector后获得的SelectKey
    volatile SelectionKey selectionKey;

    @Override
    protected void doRegister() throws Exception {
        boolean selected = false;
        for (;;) {
            try {
                selectionKey = javaChannel().register(eventLoop().unwrappedSelector(), 0, this);
                return;
            } catch (CancelledKeyException e) {
                ...............省略....................
            }
        }
    }

}

调用底层JDK NIO Channel方法java.nio.channels.SelectableChannel#register(java.nio.channels.Selector, int, java.lang.Object)，将NettyNioServerSocketChannel中包装的JDK NIO ServerSocketChannel注册到Reactor中的JDK NIO Selector上。

简单介绍下SelectableChannel#register方法参数的含义：

Selector：表示JDK NIO Channel将要向哪个Selector进行注册。
int ops： 表示Channel上感兴趣的IO事件，当对应的IO事件就绪时，Selector会返回Channel对应的SelectionKey。

SelectionKey可以理解为Channel在Selector上的特殊表示形式， SelectionKey中封装了Channel感兴趣的IO事件集合~~~interestOps，以及IO就绪的事件集合~~readyOps，同时也封装了对应的JDK NIO Channel以及注册的Selector。最后还有一个重要的属性attachment，可以允许我们在SelectionKey上附加一些自定义的对象。

Object attachment：向SelectionKey中添加用户自定义的附加对象。

这里NioServerSocketChannel向Reactor中的Selector注册的IO事件为0，这个操作的主要目的是先获取到Channel在Selector中对应的SelectionKey，完成注册。当绑定操作完成后，在去向SelectionKey添加感兴趣的IO事件~~~OP_ACCEPT事件。

同时通过SelectableChannel#register方法将Netty自定义的NioServerSocketChannel（这里的this指针）附着在SelectionKey的attechment属性上，完成Netty自定义Channel与JDK NIO Channel的关系绑定。这样在每次对Selector进行IO就绪事件轮询时，Netty 都可以从 JDK NIO Selector返回的SelectionKey中获取到自定义的Channel对象（这里指的就是NioServerSocketChannel）。

1.3.7 HandlerAdded事件回调中初始化ChannelPipeline

当NioServerSocketChannel注册到Main Reactor上的Selector后，Netty通过调用pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded()开始回调NioServerSocketChannel中pipeline里的ChannelHandler的handlerAdded方法。

此时NioServerSocketChannel的pipeline结构如下：

image.png

此时pipeline中只有在初始化NioServerSocketChannel时添加的ChannelInitializer。

我们来看下ChannelInitializer中handlerAdded回调方法具体作了哪些事情~~

public abstract class ChannelInitializer<C extends Channel> extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    @Override
    public void handlerAdded(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        if (ctx.channel().isRegistered()) {
            if (initChannel(ctx)) {
                //初始化工作完成后，需要将自身从pipeline中移除
                removeState(ctx);
            }
        }
    }

    //ChannelInitializer实例是被所有的Channel共享的，用于初始化ChannelPipeline
    //通过Set集合保存已经初始化的ChannelPipeline，避免重复初始化同一ChannelPipeline
    private final Set<ChannelHandlerContext> initMap = Collections.newSetFromMap(
            new ConcurrentHashMap<ChannelHandlerContext, Boolean>());

    private boolean initChannel(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        if (initMap.add(ctx)) { // Guard against re-entrance.
            try {
                initChannel((C) ctx.channel());
            } catch (Throwable cause) {
                exceptionCaught(ctx, cause);
            } finally {
                ChannelPipeline pipeline = ctx.pipeline();
                if (pipeline.context(this) != null) {
                     //初始化完毕后，从pipeline中移除自身
                    pipeline.remove(this);
                }
            }
            return true;
        }
        return false;
    }

    //匿名类实现，这里指定具体的初始化逻辑
    protected abstract void initChannel(C ch) throws Exception;

    private void removeState(final ChannelHandlerContext ctx) {
        //从initMap防重Set集合中删除ChannelInitializer
        if (ctx.isRemoved()) {
            initMap.remove(ctx);
        } else {
            ctx.executor().execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    initMap.remove(ctx);
                }
            });
        }
    }
}

ChannelInitializer中的初始化逻辑比较简单明了：

首先要判断必须是当前Channel已经完成注册后，才可以进行pipeline的初始化。ctx.channel().isRegistered()
调用ChannelInitializer的匿名类指定的initChannel执行自定义的初始化逻辑。

        p.addLast(new ChannelInitializer<Channel>() {
            @Override
            public void initChannel(final Channel ch) {
                final ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
                //ServerBootstrap中用户指定的channelHandler
                ChannelHandler handler = config.handler();
                if (handler != null) {
                    pipeline.addLast(handler);
                }

                ch.eventLoop().execute(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        pipeline.addLast(new ServerBootstrapAcceptor(
                                ch, currentChildGroup, currentChildHandler, currentChildOptions, currentChildAttrs));
                    }
                });
            }
        });

还记得在初始化NioServerSocketChannel时。io.netty.bootstrap.ServerBootstrap#init方法中向pipeline中添加的ChannelInitializer吗？

当执行完initChannel 方法后，ChannelPipeline的初始化就结束了，此时ChannelInitializer就没必要再继续呆在pipeline中了，所需要将ChannelInitializer从pipeline中删除。pipeline.remove(this)

当初始化完pipeline时，此时pipeline的结构再次发生了变化：

image.png

此时Main Reactor中的任务队列taskQueue结构变化为：

image.png

添加ServerBootstrapAcceptor的任务是在初始化NioServerSocketChannel的时候向main reactor提交过去的。还记得吗？

1.3.8 回调regFuture的ChannelFutureListener

在本小节《Netty服务端的启动》的最开始，我们介绍了服务端启动的入口函数io.netty.bootstrap.AbstractBootstrap#doBind，在函数的最开头调用了initAndRegister()方法用来创建并初始化NioServerSocketChannel，之后便会将NioServerSocketChannel注册到Main Reactor中。

注册的操作是一个异步的过程，所以在initAndRegister()方法调用后返回一个代表注册结果的ChannelFuture regFuture。

public abstract class AbstractBootstrap<B extends AbstractBootstrap<B, C>, C extends Channel> implements Cloneable {

    private ChannelFuture doBind(final SocketAddress localAddress) {
        //异步创建，初始化，注册ServerSocketChannel
        final ChannelFuture regFuture = initAndRegister();
        final Channel channel = regFuture.channel();
        if (regFuture.cause() != null) {
            return regFuture;
        }

        if (regFuture.isDone()) {
            //如果注册完成，则进行绑定操作
            ChannelPromise promise = channel.newPromise();
            doBind0(regFuture, channel, localAddress, promise);
            return promise;
        } else {
            final PendingRegistrationPromise promise = new PendingRegistrationPromise(channel);
            //添加注册完成 回调函数
            regFuture.addListener(new ChannelFutureListener() {
                @Override
                public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {

                         ...............省略...............
                          // 注册完成后，Reactor线程回调这里
                        doBind0(regFuture, channel, localAddress, promise);
                    }
                }
            });
            return promise;
        }
    }
}

之后会向ChannelFuture regFuture添加一个注册完成后的回调函数~~~~ ChannelFutureListener。在回调函数operationComplete中开始发起绑端口地址流程。

image.png

那么这个回调函数在什么时候？什么地方发起的呢？？

让我们在回到本小节的主题register0方法的流程中：

当调用doRegister()方法完成NioServerSocketChannel向Main Reactor的注册后，紧接着会调用pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded()方法中触发ChannelInitializer#handlerAdded回调中对pipeline进行初始化。

最后在safeSetSuccess方法中，开始回调注册在regFuture上的ChannelFutureListener。

   protected final void safeSetSuccess(ChannelPromise promise) {
        if (!(promise instanceof VoidChannelPromise) && !promise.trySuccess()) {
           logger.warn("Failed to mark a promise as success because it is done already: {}", promise);
        }
   }

   @Override
    public boolean trySuccess() {
        return trySuccess(null);
    }

    @Override
    public boolean trySuccess(V result) {
        return setSuccess0(result);
    }

   private boolean setSuccess0(V result) {
        return setValue0(result == null ? SUCCESS : result);
    }

    private boolean setValue0(Object objResult) {
        if (RESULT_UPDATER.compareAndSet(this, null, objResult) ||
            RESULT_UPDATER.compareAndSet(this, UNCANCELLABLE, objResult)) {
            if (checkNotifyWaiters()) {
                //回调注册在promise上的listeners
                notifyListeners();
            }
            return true;
        }
        return false;
    }

safeSetSuccess的逻辑比较简单，首先设置regFuture结果为success，并且回调注册在regFuture上的ChannelFutureListener。

需要提醒的是，执行safeSetSuccess方法，以及后边回调regFuture上的ChannelFutureListener这些动作都是由Reactor线程执行的。

关于Netty中的Promise模型后边我会在写一篇专门的文章进行分析，这里大家只需清楚大体的流程即可。不必在意过多的细节。

下面我们把视角切换到regFuture上的ChannelFutureListener回调中，看看在Channel注册完成后，Netty又会做哪些事情？

2. doBind0

public abstract class AbstractBootstrap<B extends AbstractBootstrap<B, C>, C extends Channel> implements Cloneable {

    private static void doBind0(
            final ChannelFuture regFuture, final Channel channel,
            final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise) {

        channel.eventLoop().execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                if (regFuture.isSuccess()) {
                    channel.bind(localAddress, promise).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE_ON_FAILURE);
                } else {
                    promise.setFailure(regFuture.cause());
                }
            }
        });
    }

}

这里Netty又将绑定端口地址的操作封装成异步任务，提交给Reactor执行。

但是这里有一个问题，其实此时执行doBind0方法的线程正是Reactor线程，那为什么不直接在这里去执行bind操作，而是再次封装成异步任务提交给Reactor中的taskQueue呢？

反正最终都是由Reactor线程执行，这其中又有什么分别呢？

经过上小节的介绍我们知道，bind0方法的调用是由io.netty.channel.AbstractChannel.AbstractUnsafe#register0方法在将NioServerSocketChannel注册到Main Reactor之后，并且NioServerSocketChannel的pipeline已经初始化完毕后，通过safeSetSuccess方法回调过来的。

这个过程全程是由Reactor线程来负责执行的，但是此时register0方法并没有执行完毕，还需要执行后面的逻辑。

而绑定逻辑需要在注册逻辑执行完之后执行，所以在doBind0方法中Reactor线程会将绑定操作封装成异步任务先提交给taskQueue中保存，这样可以使Reactor线程立马从safeSetSuccess中返回，继续执行剩下的register0方法逻辑。

        private void register0(ChannelPromise promise) {
            try {
                ................省略............

                doRegister();
                pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded();
                safeSetSuccess(promise);
                //触发channelRegister事件
                pipeline.fireChannelRegistered();

                if (isActive()) {
                     ................省略............
                }
            } catch (Throwable t) {
                  ................省略............
            }
        }

当Reactor线程执行完register0方法后，就会从taskQueue中取出异步任务执行。

此时Reactor线程中的taskQueue结构如下：

image.png

Reactor线程会先取出位于taskQueue队首的任务执行，这里是指向NioServerSocketChannel的pipeline中添加ServerBootstrapAcceptor的异步任务。

此时NioServerSocketChannel中pipeline的结构如下：

image.png

Reactor线程执行绑定任务。

3. 绑定端口地址

对Channel的操作行为全部定义在ChannelOutboundInvoker接口中。

image.png

public interface ChannelOutboundInvoker {

    ChannelFuture bind(SocketAddress localAddress, ChannelPromise promise);
}

bind方法由子类AbstractChannel实现。

由于文章字数超出了腾讯云的限制，下面的内容做了删除，欢迎关注公众号：bin的技术小屋。阅读公众号原文

流程走到这里，Netty服务端就真正的启动起来了，下一步就开始等待接收客户端连接了。大家此刻在来回看这副启动流程图，是不是清晰了很多呢？

image.png

此时Netty的Reactor模型结构如下：

image.png

总结

本文我们通过图解源码的方式完整地介绍了整个Netty服务端启动流程，并介绍了在启动过程中涉及到的ServerBootstrap相关的属性以及配置方式。NioServerSocketChannel的创建初始化过程以及类的继承结构。

其中重点介绍了NioServerSocketChannel向Reactor的注册过程以及Reactor线程的启动时机和pipeline的初始化时机。

最后介绍了NioServerSocketChannel绑定端口地址的整个流程。

上述介绍的这些流程全部是异步操作，各种回调绕来绕去的，需要反复回想下，读异步代码就是这样，需要理清各种回调之间的关系，并且时刻提醒自己当前的执行线程是什么？

好了，现在Netty服务端已经启动起来，接着就该接收客户端连接了，我们下篇文章见

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ServerBootstrap

1. 配置主从Reactor线程组

2. 配置服务端ServerSocketChannel

2.1 ReflectiveChannelFactory

3. 为NioServerSocketChannel配置ChannelOption

4. 为服务端NioServerSocketChannel中的Pipeline配置ChannelHandler

5. 为客户端NioSocketChannel中的Pipeline配置ChannelHandler

ChannelInitializer

Netty服务端的启动

1. initAndRegister

1.1 创建NioServerSocketChannel

1.1.1 NioServerSocketChannel

1.1.2 AbstractNioChannel

1.1.3 AbstractChannel

1.2 初始化NioServerSocketChannel

1.3 向Main Reactor注册NioServerSocketChannel

1.3.1 主Reactor线程组中选取一个Main Reactor进行注册

1.3.2 向绑定后的Main Reactor进行注册

1.3.3 Reactor线程的启动

1.3.4 startThread

1.3.5 register0

1.3.6 doRegister()

1.3.7 HandlerAdded事件回调中初始化ChannelPipeline

1.3.8 回调regFuture的ChannelFutureListener

2. doBind0

3. 绑定端口地址

总结

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