Netty源码学习1——NioEventLoopGroup的初始化

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零丶引入

netty源码学习中，大家maybe都接触到如下的hello world——netty客户端启动的demo：

映入眼帘的第一个类就是NioEventLoopGroup，很多文章上来就是是Netty中的核心类，啥Channel，Pipeline，Context，Boostrap一通劈里啪啦，我看起来比较费劲。

so本文不会上来就给大家介绍netty中所有的组件，而是先从NioEventLoopGroup入手。

一丶何为NioEventLoopGroup & NioEventLoopGroup继承关系

上图为NioEventLoopGroup继承关系，根据源码上的注释我们可以大概了解这些类的作用：

EventExecutorGroup：通过next方法提供EventExecutor，并且还负责处理它们的生命周期，并允许以全局方式关闭它们（指shutdownGracefully关闭EventExecutorGroup中的所有EventExecutor）
EventExecutor：EventExecutor 是一个特殊的 EventExecutorGroup（next方法指只会返回自己），它附带了一些方便的方法来查看线程是否在事件循环中执行。
EventLoopGroup：特殊EventExecutorGroup，允许注册在事件循环期间注册Channel
```
Channel是一个连接网络输入和IO处理的桥梁。可以通过Channel来判断当前的状态，是open还是connected，还可以判断当前Channel支持的IO操作。
```
AbstractEventExecutorGroup：EventExecutorGroup的抽象实现，可以看到对AbstractEventExecutorGroup提交任务，最终都会被其使用next获取EventExecutor进行处理。

EventExecutor是打工仔，AbstractEventExecutorGroup是分配任务的leader
MultithreadEventExecutorGroup：从名字上可以看出这是一个多线程的EventExecutorGroup，其中的“线程” = EventExecutor
MultithreadEventLoopGroup：多线程的EventExecutorGroup + EventLoopGroup = 多线程处理任务且允许Channel注册的EventLoopGroup，下面猫一眼其Channel的注册：

可以看到还是交给了打工人EventLoop
NioEventLoopGroup：MultithreadEventLoopGroup实现，其关联的Channel是基于NIO Selector的Channel实现的

二丶NioEventLoopGroup的初始化

在Netty 入门Demo中无论是Server还是Client都会先初始化NioEventLoopGroup，下面对于这个初始化过程进行源码解析。

参数中的SelectorProvider 是由SelectorProvider.provider() 提供的，SelectorProvider #openSelector可以创建selector，不同的操作系统这里会拿到不同的SelectorProvider
DefaultSelectStrategyFactory.INSTANCE是SelectStrategyFactory的默认实现，其newSelectStrategy会提供DefaultSelectStrategy作为选择策略，这个策略在Netty NioEventLoop#run方法来左右程序的执行（这点后续详细分析）

最终NioEventLoopGroup的构造方法将调用父类MultithreadEventExecutorGroup的构造方法

protected MultithreadEventExecutorGroup(int nThreads, Executor executor,
                                        EventExecutorChooserFactory chooserFactory, Object... args) {
    checkPositive(nThreads, "nThreads");

    if (executor == null) {
        // 初始化executor
        executor = new ThreadPerTaskExecutor(newDefaultThreadFactory());
    }
 
    children = new EventExecutor[nThreads];

    for (int i = 0; i < nThreads; i ++) {
        boolean success = false;
        try {
            // 创建EventLoop
            children[i] = newChild(executor, args);
            success = true;
        } catch (Exception e) {
            throw new IllegalStateException("failed to create a child event loop", e);
        } finally {
            // s省略关闭children数组中EventLoop的代码
        }
    }
  
    // 选择器，EventLoopGroup#next方法依赖此选择器选择EventLoop
    chooser = chooserFactory.newChooser(children);
    
    // 此处省略 EventLoopGroup关闭的Future回调
    
    // 只读set
    Set<EventExecutor> childrenSet = new LinkedHashSet<EventExecutor>(children.length);
    Collections.addAll(childrenSet, children);
    readonlyChildren = Collections.unmodifiableSet(childrenSet);
}

其中比较有意思的是newChild方法，此方法由NioEventLoopGroup进行实现

且NioEventLoopGroup中Executor将作为参数进行使用，目前我尚不知这个Executor的作用，但是可以先看一下ThreadPerTaskExecutor特性

DefaultThreadFactory#newThread如下

可以看到每一个Thread都是FastThreadLocalThread，每一个任务都会包装为FastThreadLocalRunnable#wrap方法包装，以保证FastThreadLocal会在任务执行后进行释放（和TransmittableThreadLocal的做法类似，都是对原有Thread，和任务的包装）

Netty的FastThreadLocal的奥妙后续会单独进行学习和分析。

三丶NioEventLoop

在学习NioEventLoopGroup是如何创建NioEventLoop之前，我们先看下NioEventLoop的继承体现。

SingleThreadEventExecutor：单线程Exectuor，内部持有一个Thread，在第一次提交任务的时候会将任务放到任务队列，并启动内部的Thread，该Thread执行逻辑交由子类实现
EventLoop：Channel注册到EventLoop中，后续由EventLoop处理这些Channel
SingleThreadEventLoop：SingleThreadEventExecutor + EventLoop = 单线程处理任务的EventLoop

四丶NioEventLoopGroup#newChild创建NioEventLoop

值得一说是还是这个executor参数，在NioEventLoop调用父类构造函数的时候，这个executor 会使用ThreadExecutorMap.apply包装一下，会将当前的NioEventLoop记录到FastThreadLocal中，让任务的执行过程可以从FastThreadLocal中拿到当前NioEventLoop

1.Netty对于Selector的优化

在NioEventLoop的创建时，会执行openSelector返回一对Selector，其中一个时原生的JDK中的Selector，另外一个时Netty优化的Selector，我们看下Netty做了什么优化

可以看到Netty会反射修该原JDK中的Selector 的selectedKeys和publicSelectedKeys字段，在原生JDK Selector中这两个Set的作用：

selectedKeys：Selector会将自己监听到的IO就绪的Channel放到selectedKeys中
publicSelectedKeys：selectedKeys 的视图，用于向外部线程返回IO就绪的SelectionKey。这个集合在外部线程中只能做删除操作不可增加元素，并且`不是线程安

全的

Netty为啥要进行优化昵

在SelectorImpl监听到IO就绪的SelectionKey 后，会将就绪IO对应的`SelectionKey add到selectedKeys集合中
IO就绪后会唤醒阻塞在SelectorImpl#select方法上的线程，这些线程将调用SelectorImpl#selectedKeys，进行遍历处理，这里将返回publicSelectedKeys

这里的add和遍历操作都是针对set（HashSet）的，HashSet底层基于HashMap存在Hash冲突导致其插入需要使用拉链法，遍历的时候也无法使用 CPU 缓存的优势来提高遍历的效率（指数组元素都在紧密排布大概率在一个缓存行，可以利用预读优势）因此Netty将其优化为自己实现的SelectedSelectionKeySet

最终会将JDK元素的Selector包装为SelectedSelectionKeySetSelector

可以看到每次执行select方法会对selectedKeys进行处理，其实就是清除原生JDK Selector中的selectedKeys字段和publicSelectedKeys中的SelectionKey，为什么要这么做昵，让我们回顾原生JDK Selector的使用

在selector#selectedKeys读取到publicSelectedKeys中就绪的就绪的IO实现后，会进行处理，处理完成后会进行clear方法清除已经处理的SelectionKey，但是Netty优化后的SelectedSelectionKeySet是不支持remove的，而是在SelectedSelectionKeySetSelector下一次select的时候进行批量清除。

2.NioEventLoop任务队列的创建Mpsc队列

最终创建的MpscUnboundedArrayQueue或者MpscUnboundedAtomicArrayQueue，Mpsc是Multiple producers and single consumers 多生产者单消费者的缩写，它支持多个生产者多个消费者的情况并且性能强劲（cas无锁设计减少了频繁的唤醒和阻塞，内部使用数组在需要扩容的时候不是复制旧数组，而是数组尾部元素指向下一个数组）