netty源码解析(4.0)-14 Channel NIO实现:读取数据

　　 本章分析Nio Channel的数据读取功能的实现。

　　Channel读取数据需要Channel和ChannelHandler配合使用，netty设计数据读取功能包括三个要素：Channel, EventLoop和ChannelHandler。Channel有个read方法，这个方法不会直接读取数据，它的作用是通知持有当前channel的eventLoop可以从这个这个channel读取数据了，这个方法被调用之后eventLoop会在channel有数据可读的时候从channel读出数据然后把数据放在channelRead事件中交给ChannelInboundHandler的channelRead方法处理，当eventLoop发现channel中暂时没时间可读会触发一个channelReadComplete事件。

　　read: Nio Channel通知eventLoop开始读数据

　　channel read方法的调用栈:

io.netty.channel.AbstractChannel#read
io.netty.channel.DefaultChannelPipeline#read
io.netty.channel.AbstractChannelHandlerContext#read
io.netty.channel.AbstractChannelHandlerContext#invokeRead
io.netty.channel.DefaultChannelPipeline.HeadContext#read
io.netty.channel.AbstractChannel.AbstractUnsafe#beginRead
io.netty.channel.nio.AbstractNioChannel#doBeginRead

 　　调用channel的read的方法，会触发read事件，通过pipeline调用AbstractChannel unsafe的beginRead方法，这个方法的语义是通知eventLoop可以从channel读数据了，但他没有实现具体功能，把具体功能留给doBeginRead实现。doBeginRead在AbstractChannel中定义，它是一个抽象方法。AbstractNioChannel实现了这个方法:

@Override
protected void doBeginRead() throws Exception {
    // Channel.read() or ChannelHandlerContext.read() was called
    if (inputShutdown) {
        return;
    }

    final SelectionKey selectionKey = this.selectionKey;
    if (!selectionKey.isValid()) {
        return;
    }

    readPending = true;

    final int interestOps = selectionKey.interestOps();
    if ((interestOps & readInterestOp) == 0) {
        selectionKey.interestOps(interestOps | readInterestOp);
    }
}

　　这里的doBeginRead实现，只有第17行是核心代码：把readInterestOps保存是的read操作标志添加到SelectableChannel的SelectionKey中。这里的readInterestOps是一个类的属性，在AbstractNioChannel中，它没有明确的定义，只有一个抽象的定义:NIO中的一个可以可以当成read操作的的标志。在NIO中可以当成read的有SelectionKey.OP_READ和SelectionKey.OP_ACCEPT。readInterestOps在AbstractNioChannel的构造方法中使用传入的参数初始化，子类就可以根据需要确定interestOps的具体含义。

　　设置好beginRead之后，NioEventLoop就可以使用Selector得到检测到channel上的read事件了，下面是NioEventLoop中处理read事件的代码:

//io.netty.channel.nio.NioEventLoop#processSelectedKey(java.nio.channels.SelectionKey, io.netty.channel.nio.AbstractNioChannel)
if ((readyOps & (SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_ACCEPT)) != 0 || readyOps == 0) {
    unsafe.read();
}

　　这里调用了unsafe的read的方法，在Channel的Unsafe中并没有定义这个方法，它在io.netty.channel.nio.AbstractNioChannel.NioUnsafe中定义，在io.netty.channel.nio.AbstractNioMessageChannel.NioMessageUnsafe和io.netty.channel.nio.AbstractNioByteChannel.NioByteUnsafe中有两个不同的实现。这两个实现的区别是：NioMessageUnsafe.read是把从channel中读出的数据转换成Object, NioByteUnsafe.read是从channel中读出byte数据流。下面来详解分析这两种实现。

　　

　　AbstractNioChannel.NioUnsafe.read实现：从channel读取数据

　　netty在NIO Channel的设计上，把读数据设计成独立的抽象层。之所以这样设计有两个方面的原因:

1. 在NIO中，三中不同类型的Channel读取的数据类型是不一样的，NioServerSocketChannel读出的是一个新建的NioSockeChannel, NioSocketChannel读出的byte数据流，NioDatagramChannel读出是数据报。
2. NIO三种Channel都运行在非阻塞模式下，相比于阻塞模式，非阻塞模式下读数据要处理的问题要复杂的多。使用Selector和非阻塞模式被动地读取数据，需要处理连接断开和socket异常，由于Selector使用的是边缘触发模式，一次read调用务必要把已经在socket recvbuffer中的数据全部读出来，否则可以导致数据丢失或数据接收不及时。把read独立出来处理读取数据的复杂性，代码结构会比较清晰。

　　接下来开始详细分析NioUnsafe read方法的两种不同的实现。　

　　io.netty.channel.nio.AbstractNioMessageChannel.NioMessageUnsafe.read实现: 从channel中读出Object

　　这个实现是主要功能是调用doReadMessages方法，从channel中读出Object消息，具体的类型这里没有限制，doReadMessages是一个抽象方法，留给子类实现, 下面是read方法的实现:

//io.netty.channel.nio.AbstractNioMessageChannel.NioMessageUnsafe
@Override
public void read() {
    assert eventLoop().inEventLoop();
    final ChannelConfig config = config();
    if (!config.isAutoRead() && !isReadPending()) {
        // ChannelConfig.setAutoRead(false) was called in the meantime
        removeReadOp();
        return;
    }

    final int maxMessagesPerRead = config.getMaxMessagesPerRead();
    final ChannelPipeline pipeline = pipeline();
    boolean closed = false;
    Throwable exception = null;
    try {
        try {
            for (;;) {
                int localRead = doReadMessages(readBuf);
                if (localRead == 0) {
                    break;
                }
                if (localRead < 0) {
                    closed = true;
                    break;
                }

                // stop reading and remove op
                if (!config.isAutoRead()) {
                    break;
                }

                if (readBuf.size() >= maxMessagesPerRead) {
                    break;
                }
            }
        } catch (Throwable t) {
            exception = t;
        }
        setReadPending(false);
        int size = readBuf.size();
        for (int i = 0; i < size; i ++) {
            pipeline.fireChannelRead(readBuf.get(i));
        }

        readBuf.clear();
        pipeline.fireChannelReadComplete();

        if (exception != null) {
            closed = closeOnReadError(exception);

            pipeline.fireExceptionCaught(exception);
        }

        if (closed) {
            if (isOpen()) {
                close(voidPromise());
            }
        }
    } finally {
        // Check if there is a readPending which was not processed yet.
        // This could be for two reasons:
        // * The user called Channel.read() or ChannelHandlerContext.read() in channelRead(...) method
        // * The user called Channel.read() or ChannelHandlerContext.read() in channelReadComplete(...) method
        //
        // See https://github.com/netty/netty/issues/2254
        if (!config.isAutoRead() && !isReadPending()) {
            removeReadOp();
        }
    }
}

　　 第12行，得到一次循环读取消息的最大数量maxMessagesPerRead，这个配置的默认值因不同的channel类型而不同，io.netty.channel.ChannelConfig提供了setMaxMessagesPerRead方法设置这个配置的值。调节这个值的大小可以影响I/O操作在eventLoop线程分配的执行时间，它的值越大，I/O操作站的时间越大。

　　18-36行，使用doReadMessages读取消息，并把消息放到readBuf中，readBuf是List<Object>类型。20,21行，没有可读的数据结束循环。23-25行，socket已经关闭。33，34行，readBuf中的消息数量已经超过限制，跳出循环。

　　41-47行，对readBuf中的每一个消息触发一次channelRead事件，然后清空readBuf, 触发channelReadComplete事件。

　　49-53行，处理异常。

　　55-59行，处理channel正常关闭。

　　doReadMessages方法有两个实现。一个是io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel#doReadMessages，这个实现中读出的消息是NioSocketChannel。另一个是io.netty.channel.socket.nio.NioDatagramChannel#doReadMessages，这个实现中读出的消息时DatagramPacket。

　　io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel#doReadMessages实现代码:

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

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

        try {
            ch.close();
        } catch (Throwable t2) {
            logger.warn("Failed to close a socket.", t2);
        }
    }

    return 0;
}

　　第3行, 使用accept方法得到一个新的SocketChannel。

　　7,8行，使用新的SocketChannel创建NioSocketChannel，并把它放到buf中。

　　11-20行，出现异常，关闭这个socket, 最后返回0.

　　

　　io.netty.channel.socket.nio.NioDatagramChannel#doReadMessages实现代码：

@Override
protected int doReadMessages(List<Object> buf) throws Exception {
    DatagramChannel ch = javaChannel();
    DatagramChannelConfig config = config();
    RecvByteBufAllocator.Handle allocHandle = this.allocHandle;
    if (allocHandle == null) {
        this.allocHandle = allocHandle = config.getRecvByteBufAllocator().newHandle();
    }
    ByteBuf data = allocHandle.allocate(config.getAllocator());
    boolean free = true;
    try {
        ByteBuffer nioData = data.internalNioBuffer(data.writerIndex(), data.writableBytes());
        int pos = nioData.position();
        InetSocketAddress remoteAddress = (InetSocketAddress) ch.receive(nioData);
        if (remoteAddress == null) {
            return 0;
        }

        int readBytes = nioData.position() - pos;
        data.writerIndex(data.writerIndex() + readBytes);
        allocHandle.record(readBytes);

        buf.add(new DatagramPacket(data, localAddress(), remoteAddress));
        free = false;
        return 1;
    } catch (Throwable cause) {
        PlatformDependent.throwException(cause);
        return -1;
    }  finally {
        if (free) {
            data.release();
        }
    }
}

　　　4-12行，得到接收数据的缓冲区data。

　　   13-21行，从socket收到一个数据包，这个数据报包含两部分: data中的二进制数据和发送端的地址remoteAddress(第14行)。然后设置data中的数据长度。

　　　23-25行，把数据报转换成DatagramPacket类型放到buf中返回。

　　

　　io.netty.channel.nio.AbstractNioByteChannel.NioByteUnsafe#read实现：从channel中读byte流

　　这个实现的主要功能是调用doReadBytes读取byte流。doReadBytes是一个抽象方法，留给子类实现。下面是这个read的实现。

@Override
public final void read() {
    final ChannelConfig config = config();
    if (!config.isAutoRead() && !isReadPending()) {
        // ChannelConfig.setAutoRead(false) was called in the meantime
        removeReadOp();
        return;
    }

    final ChannelPipeline pipeline = pipeline();
    final ByteBufAllocator allocator = config.getAllocator();
    final int maxMessagesPerRead = config.getMaxMessagesPerRead();
    RecvByteBufAllocator.Handle allocHandle = this.allocHandle;
    if (allocHandle == null) {
        this.allocHandle = allocHandle = config.getRecvByteBufAllocator().newHandle();
    }

    ByteBuf byteBuf = null;
    int messages = 0;
    boolean close = false;
    try {
        int totalReadAmount = 0;
        boolean readPendingReset = false;
        do {
            byteBuf = allocHandle.allocate(allocator);
            int writable = byteBuf.writableBytes();
            int localReadAmount = doReadBytes(byteBuf);
            if (localReadAmount <= 0) {
                // not was read release the buffer
                byteBuf.release();
                byteBuf = null;
                close = localReadAmount < 0;
                if (close) {
                    // There is nothing left to read as we received an EOF.
                    setReadPending(false);
                }
                break;
            }
            if (!readPendingReset) {
                readPendingReset = true;
                setReadPending(false);
            }
            pipeline.fireChannelRead(byteBuf);
            byteBuf = null;

            if (totalReadAmount >= Integer.MAX_VALUE - localReadAmount) {
                // Avoid overflow.
                totalReadAmount = Integer.MAX_VALUE;
                break;
            }

            totalReadAmount += localReadAmount;

            // stop reading
            if (!config.isAutoRead()) {
                break;
            }

            if (localReadAmount < writable) {
                // Read less than what the buffer can hold,
                // which might mean we drained the recv buffer completely.
                break;
            }
        } while (++ messages < maxMessagesPerRead);

        pipeline.fireChannelReadComplete();
        allocHandle.record(totalReadAmount);

        if (close) {
            closeOnRead(pipeline);
            close = false;
        }
    } catch (Throwable t) {
        handleReadException(pipeline, byteBuf, t, close);
    } finally {
        // Check if there is a readPending which was not processed yet.
        // This could be for two reasons:
        // * The user called Channel.read() or ChannelHandlerContext.read() in channelRead(...) method
        // * The user called Channel.read() or ChannelHandlerContext.read() in channelReadComplete(...) method
        //
        // See https://github.com/netty/netty/issues/2254
        if (!config.isAutoRead() && !isReadPending()) {
            removeReadOp();
        }
    }
}

　　10-16行，得到一个接受缓冲区的分配器和分配器的的专用handle。这两个东西的功能是高效的创建大量的接接收数据缓冲区，具体原理和实现会在后面buffer相关章节中详细分析，这里暂时略过。

　　24-64行，这是一个使用doReadBytes读取数据并触发channelRead事件的循环。25-27行，得到一个接受数据的缓冲区，然后从socket中读取数据。28-38行，没有数据可读了，或socket已经断开了。43行，正确收到了数据，触发channelRead事件。59-62行，读出的数据小于缓冲区的长度，表示没有socket中暂时没有数据可读了。 64行，读取次数大于上限配置，跳出。

　　66行，读循环完成，触发channelReadComplete事件。

　　69-72, 处理socket正常关闭。

　　74,83行，处理其他异常。

　　doReadBytes只有一个实现：

//io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel#doWriteBytes
@Override
protected int doWriteBytes(ByteBuf buf) throws Exception {
    final int expectedWrittenBytes = buf.readableBytes();
    return buf.readBytes(javaChannel(), expectedWrittenBytes);
}

　　这个实现非常简单，使用ByteBuf的能力从SocketChannel中读取byte流。