netty源码分析之揭开reactor线程的面纱(二)

如果你对netty的reactor线程不了解,建议先看下上一篇文章 netty源码分析之揭开reactor线程的面纱(一) ,这里再把reactor中的三个步骤的图贴一下

netty源码分析之揭开reactor线程的面纱(二)

我们已经了解到netty reactor线程的第一步是轮询出注册在selector上面的IO事件(select),那么接下来就要处理这些IO事件(process selected keys),本篇文章我们将一起来探讨netty处理IO事件的细节

我们进入到reactor线程的 run 方法,找到处理IO事件的代码,如下

processSelectedKeys();
复制代码

跟进去

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

我们发现处理IO事件,netty有两种选择,从名字上看,一种是处理优化过的selectedKeys,一种是正常的处理

我们对优化过的selectedKeys的处理稍微展开一下,看看netty是如何优化的,我们查看 selectedKeys 被引用过的地方,有如下代码

private SelectedSelectionKeySet selectedKeys;

private Selector NioEventLoop.openSelector() {
    //...
    final SelectedSelectionKeySet selectedKeySet = new SelectedSelectionKeySet();
    // selectorImplClass -> sun.nio.ch.SelectorImpl
    Field selectedKeysField = selectorImplClass.getDeclaredField("selectedKeys");
    Field publicSelectedKeysField = selectorImplClass.getDeclaredField("publicSelectedKeys");
    selectedKeysField.setAccessible(true);
    publicSelectedKeysField.setAccessible(true);
    selectedKeysField.set(selector, selectedKeySet);
    publicSelectedKeysField.set(selector, selectedKeySet);
    //...
    selectedKeys = selectedKeySet;
}
复制代码

首先,selectedKeys是一个 SelectedSelectionKeySet 类对象,在 NioEventLoopopenSelector 方法中创建,之后就通过反射将selectedKeys与 sun.nio.ch.SelectorImpl 中的两个field绑定

sun.nio.ch.SelectorImpl 中我们可以看到,这两个field其实是两个HashSet

// Public views of the key sets
private Set<SelectionKey> publicKeys;             // Immutable
private Set<SelectionKey> publicSelectedKeys;     // Removal allowed, but not addition
protected SelectorImpl(SelectorProvider sp) {
    super(sp);
    keys = new HashSet<SelectionKey>();
    selectedKeys = new HashSet<SelectionKey>();
    if (Util.atBugLevel("1.4")) {
        publicKeys = keys;
        publicSelectedKeys = selectedKeys;
    } else {
        publicKeys = Collections.unmodifiableSet(keys);
        publicSelectedKeys = Util.ungrowableSet(selectedKeys);
    }
}
复制代码

selector在调用 select() 族方法的时候,如果有IO事件发生,就会往里面的两个field中塞相应的 selectionKey (具体怎么塞有待研究),即相当于往一个hashSet中add元素,既然netty通过反射将jdk中的两个field替换掉,那我们就应该意识到是不是netty自定义的 SelectedSelectionKeySetadd 方法做了某些优化呢?

带着这个疑问,我们进入到 SelectedSelectionKeySet 类中探个究竟

final class SelectedSelectionKeySet extends AbstractSet<SelectionKey> {

    private SelectionKey[] keysA;
    private int keysASize;
    private SelectionKey[] keysB;
    private int keysBSize;
    private boolean isA = true;

    SelectedSelectionKeySet() {
        keysA = new SelectionKey[1024];
        keysB = keysA.clone();
    }

    @Override
    public boolean add(SelectionKey o) {
        if (o == null) {
            return false;
        }

        if (isA) {
            int size = keysASize;
            keysA[size ++] = o;
            keysASize = size;
            if (size == keysA.length) {
                doubleCapacityA();
            }
        } else {
            int size = keysBSize;
            keysB[size ++] = o;
            keysBSize = size;
            if (size == keysB.length) {
                doubleCapacityB();
            }
        }

        return true;
    }

    private void doubleCapacityA() {
        SelectionKey[] newKeysA = new SelectionKey[keysA.length << 1];
        System.arraycopy(keysA, 0, newKeysA, 0, keysASize);
        keysA = newKeysA;
    }

    private void doubleCapacityB() {
        SelectionKey[] newKeysB = new SelectionKey[keysB.length << 1];
        System.arraycopy(keysB, 0, newKeysB, 0, keysBSize);
        keysB = newKeysB;
    }

    SelectionKey[] flip() {
        if (isA) {
            isA = false;
            keysA[keysASize] = null;
            keysBSize = 0;
            return keysA;
        } else {
            isA = true;
            keysB[keysBSize] = null;
            keysASize = 0;
            return keysB;
        }
    }

    @Override
    public int size() {
        if (isA) {
            return keysASize;
        } else {
            return keysBSize;
        }
    }

    @Override
    public boolean remove(Object o) {
        return false;
    }

    @Override
    public boolean contains(Object o) {
        return false;
    }

    @Override
    public Iterator<SelectionKey> iterator() {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
}
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该类其实很简单,继承了 AbstractSet ,说明该类可以当作一个set来用,但是底层使用两个数组来交替使用,在 add 方法中,判断当前使用哪个数组,找到对应的数组,然后经历下面三个步骤 1.将SelectionKey塞到该数组的逻辑尾部 2.更新该数组的逻辑长度+1 3.如果该数组的逻辑长度等于数组的物理长度,就将该数组扩容

我们可以看到,待程序跑过一段时间,等数组的长度足够长,每次在轮询到nio事件的时候,netty只需要O(1)的时间复杂度就能将 SelectionKey 塞到 set中去,而jdk底层使用的hashSet需要O(lgn)的时间复杂度

这里关于为何使用两个数组循环交替使用,其实我也是很费解,思考了很久,查找 SelectedSelectionKeySet 所有使用的地方,我觉得使用一个数组就能够达到优化目的,并且不用每次都判断使用哪个数组,所以对于该问题,我提了一个issue给netty官方,官方也给出了答复说会跟进,issue链接: github.com/netty/netty… 版本中,netty已经将 SelectedSelectionKeySet.java 底层使用一个数组了, 链接

关于netty对 SelectionKeySet 的优化我们暂时就跟这么多,下面我们继续跟netty对IO事件的处理,转到 processSelectedKeysOptimized

private void processSelectedKeysOptimized(SelectionKey[] selectedKeys) {
     for (int i = 0;; i ++) {
         // 1.取出IO事件以及对应的channel
         final SelectionKey k = selectedKeys[i];
         if (k == null) {
             break;
         }
         selectedKeys[i] = null;
         final Object a = k.attachment();
         // 2.处理该channel
         if (a instanceof AbstractNioChannel) {
             processSelectedKey(k, (AbstractNioChannel) a);
         } else {
             NioTask<SelectableChannel> task = (NioTask<SelectableChannel>) a;
             processSelectedKey(k, task);
         }
         // 3.判断是否该再来次轮询
         if (needsToSelectAgain) {
             for (;;) {
                 i++;
                 if (selectedKeys[i] == null) {
                     break;
                 }
                 selectedKeys[i] = null;
             }
             selectAgain();
             selectedKeys = this.selectedKeys.flip();
             i = -1;
         }
     }
 }
复制代码

我们可以将该过程分为以下三个步骤

1.取出IO事件以及对应的netty channel类

这里其实也能体会到优化过的 SelectedSelectionKeySet 的好处,遍历的时候遍历的是数组,相对jdk原生的 HashSet 效率有所提高

拿到当前SelectionKey之后,将 selectedKeys[i] 置为null,这里简单解释一下这么做的理由:想象一下这种场景,假设一个NioEventLoop平均每次轮询出N个IO事件,高峰期轮询出3 N个事件,那么 selectedKeys 的物理长度要大于等于3 N,如果每次处理这些key,不置 selectedKeys[i] 为空,那么高峰期一过,这些保存在数组尾部的 selectedKeys[i] 对应的 SelectionKey 将一直无法被回收, SelectionKey 对应的对象可能不大,但是要知道,它可是有attachment的,这里的attachment具体是什么下面会讲到,但是有一点我们必须清楚,attachment可能很大,这样一来,这些元素是GC root可达的,很容易造成gc不掉,内存泄漏就发生了

这个bug4.0.19.Final 版本中被修复,建议使用netty的项目升级到最新版本^^

2.处理该channel

拿到对应的attachment之后,netty做了如下判断

if (a instanceof AbstractNioChannel) {
    processSelectedKey(k, (AbstractNioChannel) a);
} 
复制代码

源码读到这,我们需要思考为啥会有这么一条判断,凭什么说attachment可能会是 AbstractNioChannel 对象?

我们的思路应该是找到底层selector, 然后在selector调用register方法的时候,看一下注册到selector上的对象到底是什么鬼,我们使用intellij的全局搜索引用功能,最终在 AbstractNioChannel 中搜索到如下方法

protected void doRegister() throws Exception {
    // ...
    selectionKey = javaChannel().register(eventLoop().selector, 0, this);
    // ...
}
复制代码

javaChannel() 返回netty类 AbstractChannel 对应的jdk底层channel对象

protected SelectableChannel javaChannel() {
    return ch;
}
复制代码

我们查看到SelectableChannel方法,结合netty的 doRegister() 方法,我们不难推论出,netty的轮询注册机制其实是将 AbstractNioChannel 内部的jdk类 SelectableChannel 对象注册到jdk类 Selctor 对象上去,并且将 AbstractNioChannel 作为 SelectableChannel 对象的一个attachment附属上,这样再jdk轮询出某条 SelectableChannel 有IO事件发生时,就可以直接取出 AbstractNioChannel 进行后续操作

下面是jdk中的register方法

//*
     //* @param  sel
     //*         The selector with which this channel is to be registered
     //*
     //* @param  ops
     //*         The interest set for the resulting key
     //*
     //* @param  att
     //*         The attachment for the resulting key; may be <tt>null</tt>
public abstract SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att)
        throws ClosedChannelException;
复制代码

由于篇幅原因,详细的 processSelectedKey(SelectionKey k, AbstractNioChannel ch) 过程我们单独写一篇文章来详细展开,这里就简单说一下 1.对于boss NioEventLoop来说,轮询到的是基本上就是连接事件,后续的事情就通过他的pipeline将连接扔给一个worker NioEventLoop处理 2.对于worker NioEventLoop来说,轮询到的基本上都是io读写事件,后续的事情就是通过他的pipeline将读取到的字节流传递给每个channelHandler来处理

上面处理attachment的时候,还有个else分支,我们也来分析一下 else部分的代码如下

NioTask<SelectableChannel> task = (NioTask<SelectableChannel>) a;
processSelectedKey(k, task);
复制代码

说明注册到selctor上的attachment还有另外一中类型,就是 NioTask ,NioTask主要是用于当一个 SelectableChannel 注册到selector的时候,执行一些任务

NioTask的定义

public interface NioTask<C extends SelectableChannel> {
    void channelReady(C ch, SelectionKey key) throws Exception;
    void channelUnregistered(C ch, Throwable cause) throws Exception;
}
复制代码

由于 NioTask 在netty内部没有使用的地方,这里不过多展开

3.判断是否该再来次轮询

if (needsToSelectAgain) {
    for (;;) {
        i++;
        if (selectedKeys[i] == null) {
            break;
        }
        selectedKeys[i] = null;
    }
    selectAgain();
    selectedKeys = this.selectedKeys.flip();
    i = -1;
}
复制代码

我们回忆一下netty的reactor线程经历前两个步骤,分别是抓取产生过的IO事件以及处理IO事件,每次在抓到IO事件之后,都会将 needsToSelectAgain 重置为false,那么什么时候needsToSelectAgain会重新被设置成true呢?

还是和前面一样的思路,我们使用intellij来帮助我们查看needsToSelectAgain被使用的地方,在NioEventLoop类中,只有下面一处将needsToSelectAgain设置为true

NioEventLoop.java
void cancel(SelectionKey key) {
    key.cancel();
    cancelledKeys ++;
    if (cancelledKeys >= CLEANUP_INTERVAL) {
        cancelledKeys = 0;
        needsToSelectAgain = true;
    }
}
复制代码

继续查看 cancel 函数被调用的地方

AbstractChannel.java
@Override
protected void doDeregister() throws Exception {
    eventLoop().cancel(selectionKey());
}
复制代码

不难看出,在channel从selector上移除的时候,调用cancel函数将key取消,并且当被去掉的key到达 CLEANUP_INTERVAL 的时候,设置needsToSelectAgain为true, CLEANUP_INTERVAL 默认值为256

private static final int CLEANUP_INTERVAL = 256;
复制代码

也就是说,对于每个NioEventLoop而言,每隔256个channel从selector上移除的时候,就标记 needsToSelectAgain 为true,我们还是跳回到上面这段代码

if (needsToSelectAgain) {
    for (;;) {
        i++;
        if (selectedKeys[i] == null) {
            break;
        }
        selectedKeys[i] = null;
    }
    selectAgain();
    selectedKeys = this.selectedKeys.flip();
    i = -1;
}
复制代码

每满256次,就会进入到if的代码块,首先,将selectedKeys的内部数组全部清空,方便被jvm垃圾回收,然后重新调用 selectAgain 重新填装一下 selectionKey

private void selectAgain() {
    needsToSelectAgain = false;
    try {
        selector.selectNow();
    } catch (Throwable t) {
        logger.warn("Failed to update SelectionKeys.", t);
    }
}
复制代码

netty这么做的目的我想应该是每隔256次channel断线,重新清理一下selectionKey,保证现存的SelectionKey及时有效

到这里,我们初次阅读源码的时候对reactor的第二个步骤的了解已经足够了。总结一下:netty的reactor线程第二步做的事情为处理IO事件,netty使用数组替换掉jdk原生的HashSet来保证IO事件的高效处理,每个SelectionKey上绑定了netty类 AbstractChannel 对象作为attachment,在处理每个SelectionKey的时候,就可以找到 AbstractChannel ,然后通过pipeline的方式将处理串行到ChannelHandler,回调到用户方法

下一篇文章,我们将一起来看下netty中reactor线程中最后一步, runTasks ,你将了解到netty中异步执行任务机制的细节,尽请期待

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原文 

https://juejin.im/post/5bcfa22fe51d4534763cc5bd

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