Netty5.0的NioEventLoop源码详细分析

了解Netty线程模型的小伙伴应该都知道，Netty的线程有两个NioEventLoopGroup线程池，一个是boss线程池，一个是worker线程池，其中worker线程池的任务如下：

a.异步读取通讯对端的消息，向ChannelPipeline发出读事件

b.异步向通讯对端发送消息，调用ChannelPipeline发送消息接口

c.执行系统Task任务

d.执行定时任务

系统Task

通过调用NioEventLoop的execute(Runnable task)方法实现，创建它们的原因是当IO线程和用户线程都在操作同一个资源时，

会发生锁竞争的问题，所以将用户线程封装为一个Task，交给IO线程串行处理，实现局部无锁化

定时Task

通过调用NioEventLoop的schedule(Runnable command,long delay,TimeUnit unit)实现，主要用于监控和检查等定时动作

所以Netty的NioEventLoop并不是一个纯粹的I/O线程，它还负责调度执行Task任务

下面看看NioEventLoop的类图

作为NIO框架的Reactor线程，NioEventLoop需要处理网络I/O读写事件，因此它必须聚合一个多路复用器对象--Selector

selector的初始化方法就是直接调用openSelector()方法

从上图中可以看到，Netty对Selector的selectedKeys进行了优化，用户可以通过io.netty.noKeySetOptimization开关决定

是否启用该优化项，默认不打开优化。如果没有开启该优化，则由provider.openSelector()创建并打开selector之后就直接返回，

如果设置了开启优化，则通过反射机制获取到selectedKeys和publicSelectedKeys，并将这两个属性设为可写，

然后在使用它们将新创建的selectedKeySet与selector绑定，并将新的selectedKeySet将原JDK中的selectedKeys替换。

上面就是多路复用器Selector的初始化过程，下面研究关键的run()方法。

    protected void run() {
        boolean oldWakenUp = this.wakenUp.getAndSet(false);

        try {
            if (this.hasTasks()) {
                this.selectNow();
            } else {
                this.select(oldWakenUp);
                if (this.wakenUp.get()) {
                    this.selector.wakeup();
                }
            }

            this.cancelledKeys = 0;
            this.needsToSelectAgain = false;
            int ioRatio = this.ioRatio;
            if (ioRatio == 100) {
                this.processSelectedKeys();
                this.runAllTasks();
            } else {
                long ioStartTime = System.nanoTime();
                this.processSelectedKeys();
                long ioTime = System.nanoTime() - ioStartTime;
                this.runAllTasks(ioTime * (long)(100 - ioRatio) / (long)ioRatio);
            }

            if (this.isShuttingDown()) {
                this.closeAll();
                if (this.confirmShutdown()) {
                    this.cleanupAndTerminate(true);
                    return;
                }
            }
        } catch (Throwable var8) {
            logger.warn("Unexpected exception in the selector loop.", var8);

            try {
                Thread.sleep(1000L);
            } catch (InterruptedException var7) {
                ;
            }
        }

        this.scheduleExecution();
    }

每次执行先将wakenUp还原为false，并将之前的wakeUp状态保存到oldWakenUp变量中，这样即使进入到后面的select(oldWakenUp)分支，如果有新任务到来，也能及时处理。

boolean oldWakenUp = this.wakenUp.getAndSet(false);

通过hasTasks（）方法判断消息队列当中是否有未处理的任务，如果有则调用selectNow()方法立即进行一次select操作，

看是否有准备就绪的Channel需要处理。

if (this.hasTasks()) {
                this.selectNow();
            }

Selector的selectNow()方法会立即触发Selector的选择操作，如果有准备就绪的Channel，则返回就绪Channel的集合，否则返回0。最后再判断用户是否调用了Selector的wakenUp()，如果有，则执行selector.wakeup()

    void selectNow() throws IOException {
        try {
            this.selector.selectNow();
        } finally {
            if (this.wakenUp.get()) {
                this.selector.wakeup();
            }

        }

    }

回到run()方法继续分析，如果消息队列中没有待处理的消息，则执行select(oldWakenUp)方法

    private void select(boolean oldWakenUp) throws IOException {
        Selector selector = this.selector;

        try {
            int selectCnt = 0;
            long currentTimeNanos = System.nanoTime();
            long selectDeadLineNanos = currentTimeNanos + this.delayNanos(currentTimeNanos);

            while(true) {
                long timeoutMillis = (selectDeadLineNanos - currentTimeNanos + 500000L) / 1000000L;
                if (timeoutMillis <= 0L) {
                    if (selectCnt == 0) {
                        selector.selectNow();
                        selectCnt = 1;
                    }
                    break;
                }

                int selectedKeys = selector.select(timeoutMillis);
                ++selectCnt;
                if (selectedKeys != 0 || oldWakenUp || this.wakenUp.get() || this.hasTasks() || this.hasScheduledTasks()) {
                    break;
                }

                if (Thread.interrupted()) {
                    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;
                }

                long time = System.nanoTime();
                if (time - TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeoutMillis) >= currentTimeNanos) {
                    selectCnt = 1;
                } else if (SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD > 0 && selectCnt >= SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD) {
                    logger.warn("Selector.select() returned prematurely {} times in a row; rebuilding selector.", selectCnt);
                    this.rebuildSelector();
                    selector = this.selector;
                    selector.selectNow();
                    selectCnt = 1;
                    break;
                }

                currentTimeNanos = time;
            }

            if (selectCnt > 3 && logger.isDebugEnabled()) {
                logger.debug("Selector.select() returned prematurely {} times in a row.", selectCnt - 1);
            }
        } catch (CancelledKeyException var13) {
            if (logger.isDebugEnabled()) {
                logger.debug(CancelledKeyException.class.getSimpleName() + " raised by a Selector - JDK bug?", var13);
            }
        }

    }

先取系统的纳秒时间，调用delayNanos()方法计算获得NioEventLoop中定时任务的触发时间，计算下一个将要触发的定时任务的剩余超时时间，将它转换成毫秒，为超时时间增加0.5毫秒的调整值。对剩余的超时时间进行判断，如果需要立即执行或者已经超时，则调用selector.selectNow()进行轮询操作，将selectCnt设置为1，并退出当前循环。

            int selectCnt = 0;
            long currentTimeNanos = System.nanoTime();
            long selectDeadLineNanos = currentTimeNanos + this.delayNanos(currentTimeNanos);

            while(true) {
                long timeoutMillis = (selectDeadLineNanos - currentTimeNanos + 500000L) / 1000000L;
                if (timeoutMillis <= 0L) {
                    if (selectCnt == 0) {
                        selector.selectNow();
                        selectCnt = 1;
                    }
                    break;
                }

然后将定时操作剩余的超时时间作为参数进行select，每进行一次，就将计数器selectCnt加1，这个是为了下文解决JDK select的bug用的。

int selectedKeys = selector.select(timeoutMillis);
                ++selectCnt;

Select操作结束之后，需要对结果进行判断，如果存在下列任意一种情况，则break操作

1.有Channel处于就绪状态，即selectedKeys != 0 证明有读写操作需要jinxing

2.oldWakenUp为true

3.系统或者用户调用了wakeup操作，唤醒当前的多路复用器

4.消息队列当中有任务需要执行

if (selectedKeys != 0 || oldWakenUp || this.wakenUp.get() || this.hasTasks() || this.hasScheduledTasks()) {
                    break;
                }

如果本次Selector的轮询结果为空，也没有wakeup操作或是新的消息需要处理，则说明是个空轮询，在JDK原生的NIO中，这可能触发epoll的bug，它会导致Selector的空轮询，使I/O线程一直处于100%状态。这个问题在Netty中得到了修复，策略如下：

1.对Selector的select操作周期进行统计

2.每完成一次空的select操作进行一个计数

3.在某个周期内如果连续发生了N次（默认为512次）空轮询，说明触发了JDK NIO的epoll()死循环的bug.

                long time = System.nanoTime();
                if (time - TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeoutMillis) >= currentTimeNanos) {
                    selectCnt = 1;
                } else if (SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD > 0 && selectCnt >= SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD) {
                    logger.warn("Selector.select() returned prematurely {} times in a row; rebuilding selector.", selectCnt);
                    this.rebuildSelector();
                    selector = this.selector;
                    selector.selectNow();
                    selectCnt = 1;
                    break;
                }

监测到Selector处于死循环的状态下，会通过重建Selector来解决这个问题

    public void rebuildSelector() {
        if (!this.inEventLoop()) {
            this.execute(new Runnable() {
                public void run() {
                    NioEventLoop.this.rebuildSelector();
                }
            });
        } else {
            Selector oldSelector = this.selector;
            if (oldSelector != null) {
                Selector newSelector;
                try {
                    newSelector = this.openSelector();
                } catch (Exception var9) {
                    logger.warn("Failed to create a new Selector.", var9);
                    return;
                }

                int nChannels = 0;

                label69:
                while(true) {
                    try {
                        Iterator i$ = oldSelector.keys().iterator();

                        while(true) {
                            if (!i$.hasNext()) {
                                break label69;
                            }

                            SelectionKey key = (SelectionKey)i$.next();
                            Object a = key.attachment();

                            try {
                                if (key.isValid() && key.channel().keyFor(newSelector) == null) {
                                    int interestOps = key.interestOps();
                                    key.cancel();
                                    SelectionKey newKey = key.channel().register(newSelector, interestOps, a);
                                    if (a instanceof AbstractNioChannel) {
                                        ((AbstractNioChannel)a).selectionKey = newKey;
                                    }

                                    ++nChannels;
                                }
                            } catch (Exception var11) {
                                logger.warn("Failed to re-register a Channel to the new Selector.", var11);
                                if (a instanceof AbstractNioChannel) {
                                    AbstractNioChannel ch = (AbstractNioChannel)a;
                                    ch.unsafe().close(ch.unsafe().voidPromise());
                                } else {
                                    NioTask<SelectableChannel> task = (NioTask)a;
                                    invokeChannelUnregistered(task, key, var11);
                                }
                            }
                        }
                    } catch (ConcurrentModificationException var12) {
                        ;
                    }
                }

                this.selector = newSelector;

                try {
                    oldSelector.close();
                } catch (Throwable var10) {
                    if (logger.isWarnEnabled()) {
                        logger.warn("Failed to close the old Selector.", var10);
                    }
                }

                logger.info("Migrated " + nChannels + " channel(s) to the new Selector.");
            }
        }
    }

首先通过inEventLoop方法判断是否是其它线程发起的rebuildSelector，如果是其它线程发起的，为了避免多个线程并发操作Selector和其它资源，则需要将rebuildSelector封装成Task,放到NioEventLoop的消息队列中，由NioEventLoop线程负责，这样避免了线程安全问题。

if (!this.inEventLoop()) {
            this.execute(new Runnable() {
                public void run() {
                    NioEventLoop.this.rebuildSelector();
                }
            });
        }

接着通过openSelector新建并打开一个newSelector,通过循环，将原Selector上注册时SocketChannel从旧的Selector上去除注册，并重新注册到新的Selector上，将newSelector赋个NioEventLoop,然后将老的Selector关闭。

通过销毁旧的、有问题的多路复用器，使用新建的Selector，就可以解决空轮询Selector导致的bug。

如果轮询到了处于就绪状态的SocketChannel,则需要处理网络I/O事件

this.cancelledKeys = 0;
            this.needsToSelectAgain = false;
            int ioRatio = this.ioRatio;
            if (ioRatio == 100) {
                this.processSelectedKeys();
                this.runAllTasks();
            } else {
                long ioStartTime = System.nanoTime();
                this.processSelectedKeys();
                long ioTime = System.nanoTime() - ioStartTime;
                this.runAllTasks(ioTime * (long)(100 - ioRatio) / (long)ioRatio);
            }

其中processSelectedKeys（）代码如下

    private void processSelectedKeys() {
        if (this.selectedKeys != null) {
            this.processSelectedKeysOptimized(this.selectedKeys.flip());
        } else {
            this.processSelectedKeysPlain(this.selector.selectedKeys());
        }

    }

由于默认没有开启selectedKeys优化，所以会调用processSelectedKeysPlain方法

    private void processSelectedKeysPlain(Set<SelectionKey> selectedKeys) {
        if (!selectedKeys.isEmpty()) {
            Iterator i = selectedKeys.iterator();

            while(true) {
                SelectionKey k = (SelectionKey)i.next();
                Object a = k.attachment();
                i.remove();
                if (a instanceof AbstractNioChannel) {
                    processSelectedKey(k, (AbstractNioChannel)a);
                } else {
                    NioTask<SelectableChannel> task = (NioTask)a;
                    processSelectedKey(k, task);
                }

                if (!i.hasNext()) {
                    break;
                }

                if (this.needsToSelectAgain) {
                    this.selectAgain();
                    selectedKeys = this.selector.selectedKeys();
                    if (selectedKeys.isEmpty()) {
                        break;
                    }

                    i = selectedKeys.iterator();
                }
            }

        }
    }

先对SelectedKeys进行保护性判断，如果为空则返回。否则获取SelectedKeys迭代器进行循环遍历，获取selectionKey和SocketChannel的附件对象，将已经选择的选择键从迭代器中删除，防止下次被重复选择和处理。

if (!selectedKeys.isEmpty()) {
            Iterator i = selectedKeys.iterator();

            while(true) {
                SelectionKey k = (SelectionKey)i.next();
                Object a = k.attachment();
                i.remove();

然后将SocketChannel附件对象进行判断，如果包含AbstractNioChannel,则证明是SocketChannel或者是ServerSocketChannel,需要进行I/O读写相关的操作，否则就是NioTask,需要类型转换为NioTask（由于Netty自身没有实现NioTask）接口，所以通常系统不会执行该分支，除非用户自行注册该Task到多路复用器。

                if (a instanceof AbstractNioChannel) {
                    processSelectedKey(k, (AbstractNioChannel)a);
                } else {
                    NioTask<SelectableChannel> task = (NioTask)a;
                    processSelectedKey(k, task);
                }

从代码中可以看到，接下来需要执行processSelectedKey。在该方法中进行I/O操作，首先从NioServerSocketChannel或者NioSocketChannel中获取其内部类Unsafe，判断选择键是否可用，不可用则关闭unsafe，释放连接资源

NioUnsafe unsafe = ch.unsafe();
        if (!k.isValid()) {
            unsafe.close(unsafe.voidPromise());
        }

如果选择键可用，就获取其值跟网络操作位进行与运算。

 else {
            try {
                int readyOps = k.readyOps();
                if ((readyOps & 17) != 0 || readyOps == 0) {
                    unsafe.read();
                    if (!ch.isOpen()) {
                        return;
                    }
                }

                if ((readyOps & 4) != 0) {
                    ch.unsafe().forceFlush();
                }

                if ((readyOps & 8) != 0) {
                    int ops = k.interestOps();
                    ops &= -9;
                    k.interestOps(ops);
                    unsafe.finishConnect();
                }
            } catch (CancelledKeyException var5) {
                unsafe.close(unsafe.voidPromise());
            }

        }

如果是读或者连接操作，则调用Unsafe的read方法。此处Unsafe的实现是个多态，对于NioServerSocketChannel,它的读操作就是接受客户端的TCP连接。

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

        try {
            if (ch != null) {
                buf.add(new NioSocketChannel(this, ch));
                return 1;
            }
        } catch (Throwable var6) {
            logger.warn("Failed to create a new channel from an accepted socket.", var6);

            try {
                ch.close();
            } catch (Throwable var5) {
                logger.warn("Failed to close a socket.", var5);
            }
        }

        return 0;
    }

对于NIOSocketChannel，它的读操作就是从SocketChannel中读取ByteBuffer

    protected int doReadBytes(ByteBuf byteBuf) throws Exception {
        return byteBuf.writeBytes(this.javaChannel(), byteBuf.writableBytes());
    }

如果网络操作为写，则证明有半包消息没有发送完，通过调用forceFlush()使其继续发送

                if ((readyOps & 4) != 0) {
                    ch.unsafe().forceFlush();
                }

如果网络操作位为连接状态，则需要对连接结果进行判读

                if ((readyOps & 8) != 0) {
                    int ops = k.interestOps();
                    ops &= -9;
                    k.interestOps(ops);
                    unsafe.finishConnect();
                }

需要注意的是，在进行finishConnect判断之前，需要将网络操作位进行修改，注销掉SelectionKey.OP_CONNECT。

处理完I/O事件之后，NioEventLoop需要执行非I/O操作的系统Task和定时任务,由于NioEventLoop需要同时处理I/O事件和

非I/O任务，为了保证两者都能得到足够的CPU时间被执行，Netty提供了I/O比例供用户定制。如果I/O操作多于定时任务和Task，

则可以将I/O比例跳大，反之则调小，默认为50%

                long ioTime = System.nanoTime() - ioStartTime;
                this.runAllTasks(ioTime * (long)(100 - ioRatio) / (long)ioRatio);

即进行runAllTasks

    protected boolean runAllTasks(long timeoutNanos) {
        this.fetchFromScheduledTaskQueue();
        Runnable task = this.pollTask();
        if (task == null) {
            return false;
        } else {
            long deadline = ScheduledFutureTask.nanoTime() + timeoutNanos;
            long runTasks = 0L;

            long lastExecutionTime;
            while(true) {
                try {
                    task.run();
                } catch (Throwable var11) {
                    logger.warn("A task raised an exception.", var11);
                }

                ++runTasks;
                if ((runTasks & 63L) == 0L) {
                    lastExecutionTime = ScheduledFutureTask.nanoTime();
                    if (lastExecutionTime >= deadline) {
                        break;
                    }
                }

                task = this.pollTask();
                if (task == null) {
                    lastExecutionTime = ScheduledFutureTask.nanoTime();
                    break;
                }
            }

            this.lastExecutionTime = lastExecutionTime;
            return true;
        }
    }

首先从定时任务消息队列中弹出消息来处理，如果为空，则退出。

        this.fetchFromScheduledTaskQueue();
        Runnable task = this.pollTask();
        if (task == null) {
            return false;
        }

如果有，则循环执行定时任务，并且根据时间戳来判断操作是否已经超过了分配给非I/O操作的超时时间，超过则退出，

默认每经过64次循环则进行一次上述判断。防止由于非I/O任务过多导致I/O操作被长时间阻塞

            while(true) {
                try {
                    task.run();
                } catch (Throwable var11) {
                    logger.warn("A task raised an exception.", var11);
                }

                ++runTasks;
                if ((runTasks & 63L) == 0L) {
                    lastExecutionTime = ScheduledFutureTask.nanoTime();
                    if (lastExecutionTime >= deadline) {
                        break;
                    }
                }

                task = this.pollTask();
                if (task == null) {
                    lastExecutionTime = ScheduledFutureTask.nanoTime();
                    break;
                }
            }

runAllTasks方法执行完成之后，会判断系统是否进入优雅停机状态，如果处理关闭状态，则需要调用closeAll方法，释放资源，并放NioEventLoop线程退出循环，结束运行

            if (this.isShuttingDown()) {
                this.closeAll();
                if (this.confirmShutdown()) {
                    this.cleanupAndTerminate(true);
                    return;
                }
            }

closeAll（）方法里会遍历所有的Channel，然后调用它的unsafe().close方法关闭所有链路，释放线程池、ChannelPipeline和ChannelHandler等资源

NioEventLoop的源码分析到此结束，欢迎大家一起讨论。

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