• Netty那点事（一）概述

public void run() {
    // Configure the server.
    ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap(
            new NioServerSocketChannelFactory(
                    Executors.newCachedThreadPool(),
                    Executors.newCachedThreadPool()));

    // Set up the pipeline factory.
    bootstrap.setPipelineFactory(new ChannelPipelineFactory() {
        public ChannelPipeline getPipeline() throws Exception {
            return Channels.pipeline(new EchoServerHandler());
        }
    });

    // Bind and start to accept incoming connections.
    bootstrap.bind(new InetSocketAddress(port));
}

public class EchoServerHandler extends SimpleChannelUpstreamHandler {

    @Override
    public void messageReceived(
            ChannelHandlerContext ctx, MessageEvent e) {
        // Send back the received message to the remote peer.
        e.getChannel().write(e.getMessage());
    }
}

org
└── jboss
    └── netty
        ├── bootstrap 配置并启动服务的类
        ├── buffer 缓冲相关类，对NIO Buffer做了一些封装
        ├── channel 核心部分，处理连接
        ├── container 连接其他容器的代码
        ├── example 使用示例
        ├── handler 基于handler的扩展部分，实现协议编解码等附加功能
        ├── logging 日志
        └── util 工具类

Netty那点事（二）Netty中的buffer

上一篇文章我们概要介绍了Netty的原理及结构，下面几篇文章我们开始对Netty的各个模块进行比较详细的分析。Netty的结构最底层是buffer机制，这部分也相对独立，我们就先从buffer讲起。

What: buffer二三事

buffer中文名又叫缓冲区，按照*的解释，是"在数据传输时，在内存里开辟的一块临时保存数据的区域”。它其实是一种化同步为异步的机制，可以解决数据传输的速率不对等以及不稳定的问题。

根据这个定义，我们可以知道涉及I/O(特别是I/O写)的地方，基本会有buffer的存在。就Java来说，我们非常熟悉的Old I/O–InputStream&OutputStream系列API，基本都是在内部使用到了buffer。Java课程老师就教过，必须调用OutputStream.flush()，才能保证数据写入生效！

而NIO中则直接将buffer这个概念封装成了对象，其中最常用的大概是ByteBuffer了。于是使用方式变为了：将数据写入Buffer，flip()一下，然后将数据读出来。于是，buffer的概念更加深入人心了！

Netty中的buffer也不例外。不同的是，Netty的buffer专为网络通讯而生，所以它又叫ChannelBuffer(好吧其实没有什么因果关系…)。我们下面就来讲讲Netty中的buffer。当然，关于Netty，我们必须讲讲它的所谓"Zero-Copy-Capable"机制。

When & Where: TCP/IP协议与buffer

TCP/IP协议是目前的主流网络协议。它是一个多层协议，最下层是物理层，最上层是应用层(HTTP协议等)，而在Java开发中，一般只接触TCP以上，即传输层和应用层的内容。这也是Netty的主要应用场景。

TCP报文有个比较大的特点，就是它传输的时候，会先把应用层的数据项拆开成字节，然后按照自己的传输需要，选择合适数量的字节进行传输。什么叫"自己的传输需要”？首先TCP包有最大长度限制，那么太大的数据项肯定是要拆开的。其次因为TCP以及下层协议会附加一些协议头信息，如果数据项太小，那么可能报文大部分都是没有价值的头信息，这样传输是很不划算的。因此有了收集一定数量的小数据，并打包传输的Nagle算法(这个东东在HTTP协议里会很讨厌，Netty里可以用setOption(“tcpNoDelay”, true)关掉它)。

这么说可能太学院派了一点，我们举个例子吧：

发送时，我们这样分3次写入('|'表示两个buffer的分隔):

   +-----+-----+-----+
   | ABC | DEF | GHI |
   +-----+-----+-----+

接收时，可能变成了这样:

   +----+-------+---+---+
   | AB | CDEFG | H | I |
   +----+-------+---+---+

很好懂吧？可是，说了这么多，跟buffer有个什么关系呢？别急，我们来看下面一部分。

Why: buffer中的分层思想

我们先回到之前的messageReceived方法：

public void messageReceived(
        ChannelHandlerContext ctx, MessageEvent e) {
    // Send back the received message to the remote peer.
    transferredBytes.addAndGet(((ChannelBuffer) e.getMessage()).readableBytes());
    e.getChannel().write(e.getMessage());
}

这里MessageEvent.getMessage()默认的返回值是一个ChannelBuffer。我们知道，业务中需要的"Message”，其实是一条应用层级别的完整消息，而一般的buffer工作在传输层，与"Message"是不能对应上的。那么这个ChannelBuffer是什么呢？

来一个官方给的图，我想这个答案就很明显了：

这里可以看到，TCP层HTTP报文被分成了两个ChannelBuffer，这两个Buffer对我们上层的逻辑(HTTP处理)是没有意义的。但是两个ChannelBuffer被组合起来，就成为了一个有意义的HTTP报文，这个报文对应的ChannelBuffer，才是能称之为"Message"的东西。这里用到了一个词"Virtual Buffer”，也就是所谓的"Zero-Copy-Capable Byte Buffer"了。顿时觉得豁然开朗了有没有！

我这里总结一下，如果说NIO的Buffer和Netty的ChannelBuffer最大的区别的话，就是前者仅仅是传输上的Buffer，而后者其实是传输Buffer和抽象后的逻辑Buffer的结合。延伸开来说，NIO仅仅是一个网络传输框架，而Netty是一个网络应用框架，包括网络以及应用的分层结构。

当然，在Netty里，默认使用ChannelBuffer表示"Message”，不失为一个比较实用的方法，但是MessageEvent.getMessage()是可以存放一个POJO的，这样子抽象程度又高了一些，这个我们在以后讲到ChannelPipeline的时候会说到。

How: Netty中的ChannelBuffer及实现

好了，终于来到了代码实现部分。之所以啰嗦了这么多，因为我觉得，关于"Zero-Copy-Capable Rich Byte Buffer”，理解为什么需要它，比理解它是怎么实现的，可能要更重要一点。

我想可能很多朋友跟我一样，喜欢"顺藤摸瓜"式读代码–找到一个入口，然后顺着查看它的调用，直到理解清楚。很幸运，ChannelBuffers(注意有s!)就是这样一根"藤”，它是所有ChannelBuffer实现类的入口，它提供了很多静态的工具方法来创建不同的Buffer，靠“顺藤摸瓜”式读代码方式，大致能把各种ChannelBuffer的实现类摸个遍。先列一下ChannelBuffer相关类图。

此外还有WrappedChannelBuffer系列也是继承自AbstractChannelBuffer，图放到了后面。

ChannelBuffer中的readerIndex和writerIndex

开始以为Netty的ChannelBuffer是对NIO ByteBuffer的一个封装，其实不是的，它是把ByteBuffer重新实现了一遍。

以最常用的HeapChannelBuffer为例，其底层也是一个byte[]，与ByteBuffer不同的是，它是可以同时进行读和写的，而不需要使用flip()进行读写切换。ChannelBuffer读写的核心代码在AbstactChannelBuffer里，这里通过readerIndex和writerIndex两个整数，分别指向当前读的位置和当前写的位置，并且，readerIndex总是小于writerIndex的。贴两段代码，让大家能看的更明白一点：

public void writeByte(int value) {
    setByte(writerIndex ++, value);
}

public byte readByte() {
    if (readerIndex == writerIndex) {
        throw new IndexOutOfBoundsException("Readable byte limit exceeded: "
                + readerIndex);
    }
    return getByte(readerIndex ++);
}

public int writableBytes() {
    return capacity() - writerIndex;
}

public int readableBytes() {
    return writerIndex - readerIndex;
}

我倒是觉得这样的方式非常自然，比单指针与flip()要更加好理解一些。AbstactChannelBuffer还有两个相应的mark指针markedReaderIndex和markedWriterIndex，跟NIO的原理是一样的，这里不再赘述了。

字节序Endianness与HeapChannelBuffer

在创建Buffer时，我们注意到了这样一个方法：public static ChannelBuffer buffer(ByteOrder endianness, int capacity);，其中ByteOrder是什么意思呢？

这里有个很基础的概念：字节序(ByteOrder/Endianness)。它规定了多余一个字节的数字(int啊long什么的)，如何在内存中表示。BIG_ENDIAN(大端序)表示高位在前，整型数12会被存储为0 0 0 12四字节，而LITTLE_ENDIAN则正好相反。可能搞C/C++的程序员对这个会比较熟悉，而Javaer则比较陌生一点，因为Java已经把内存给管理好了。但是在网络编程方面，根据协议的不同，不同的字节序也可能会被用到。目前大部分协议还是采用大端序，可参考RFC1700。

了解了这些知识，我们也很容易就知道为什么会有BigEndianHeapChannelBuffer和LittleEndianHeapChannelBuffer了！

DynamicChannelBuffer

DynamicChannelBuffer是一个很方便的Buffer，之所以叫Dynamic是因为它的长度会根据内容的长度来扩充，你可以像使用ArrayList一样，无须关心其容量。实现自动扩容的核心在于ensureWritableBytes方法，算法很简单：在写入前做容量检查，容量不够时，新建一个容量x2的buffer，跟ArrayList的扩容是相同的。贴一段代码吧(为了代码易懂，这里我删掉了一些边界检查，只保留主逻辑)：

public void writeByte(int value) {
    ensureWritableBytes(1);
    super.writeByte(value);
}

public void ensureWritableBytes(int minWritableBytes) {
    if (minWritableBytes <= writableBytes()) {
        return;
    }

    int newCapacity = capacity();
    int minNewCapacity = writerIndex() + minWritableBytes;
    while (newCapacity < minNewCapacity) {
        newCapacity <<= 1;
    }

    ChannelBuffer newBuffer = factory().getBuffer(order(), newCapacity);
    newBuffer.writeBytes(buffer, 0, writerIndex());
    buffer = newBuffer;
}

CompositeChannelBuffer

CompositeChannelBuffer是由多个ChannelBuffer组合而成的，可以看做一个整体进行读写。这里有一个技巧：CompositeChannelBuffer并不会开辟新的内存并直接复制所有ChannelBuffer内容，而是直接保存了所有ChannelBuffer的引用，并在子ChannelBuffer里进行读写，从而实现了"Zero-Copy-Capable"了。来段简略版的代码吧：

public class CompositeChannelBuffer{

    //components保存所有内部ChannelBuffer
    private ChannelBuffer[] components;
    //indices记录在整个CompositeChannelBuffer中，每个components的起始位置
    private int[] indices;
    //缓存上一次读写的componentId
    private int lastAccessedComponentId;

    public byte getByte(int index) {
        //通过indices中记录的位置索引到对应第几个子Buffer
        int componentId = componentId(index);
        return components[componentId].getByte(index - indices[componentId]);
    }

    public void setByte(int index, int value) {
        int componentId = componentId(index);
        components[componentId].setByte(index - indices[componentId], value);
    }

}

查找componentId的算法再次不作介绍了，大家自己实现起来也不会太难。值得一提的是，基于ChannelBuffer连续读写的特性，使用了顺序查找(而不是二分查找)，并且用lastAccessedComponentId来进行缓存。

ByteBufferBackedChannelBuffer

前面说ChannelBuffer是自己的实现的，其实只说对了一半。ByteBufferBackedChannelBuffer就是封装了NIO ByteBuffer的类，用于实现堆外内存的Buffer(使用NIO的DirectByteBuffer)。当然，其实它也可以放其他的ByteBuffer的实现类。代码实现就不说了，也没啥可说的。

WrappedChannelBuffer

WrappedChannelBuffer都是几个对已有ChannelBuffer进行包装，完成特定功能的类。代码不贴了，实现都比较简单，列一下功能吧。

类名	入口	功能
SlicedChannelBuffer	ChannelBuffer.slice() ChannelBuffer.slice(int,int)	某个ChannelBuffer的一部分
TruncatedChannelBuffer	ChannelBuffer.slice() ChannelBuffer.slice(int,int)	某个ChannelBuffer的一部分， 可以理解为其实位置为0的SlicedChannelBuffer
DuplicatedChannelBuffer	ChannelBuffer.duplicate()	与某个ChannelBuffer使用同样的存储， 区别是有自己的index
ReadOnlyChannelBuffer	ChannelBuffers  .unmodifiableBuffer(ChannelBuffer)	只读，你懂的

可以看到，关于实现方面，Netty 3.7的buffer相关内容还是比较简单的，也没有太多费脑细胞的地方。

而Netty 4.0之后就不同了。4.0，ChannelBuffer改名ByteBuf，成了单独项目buffer，并且为了性能优化，加入了BufferPool之类的机制，已经变得比较复杂了(本质倒没怎么变)。性能优化是个很复杂的事情，研究源码时，建议先避开这些东西，除非你对算法情有独钟。举个例子，Netty4.0里为了优化，将Map换成了Java 8里6000行的ConcurrentHashMapV8，你们感受一下…

下篇文章我们开始讲Channel。

参考资料：

• TCP/IP协议 http://zh.wikipedia.org/zh-cn/TCP/IP%E5%8D%8F%E8%AE%AE
• Data_buffer http://en.wikipedia.org/wiki/Data_buffer
• Endianness http://en.wikipedia.org/wiki/Endianness

Netty那点事（三）Channel与Pipeline

Channel是理解和使用Netty的核心。Channel的涉及内容较多，这里我使用由浅入深的介绍方法。在这篇文章中，我们主要介绍Channel部分中Pipeline实现机制。为了避免枯燥，借用一下《盗梦空间》的“梦境”概念，希望大家喜欢。

一层梦境：Channel实现概览

在Netty里，Channel是通讯的载体，而ChannelHandler负责Channel中的逻辑处理。

那么ChannelPipeline是什么呢？我觉得可以理解为ChannelHandler的容器：一个Channel包含一个ChannelPipeline，所有ChannelHandler都会注册到ChannelPipeline中，并按顺序组织起来。

在Netty中，ChannelEvent是数据或者状态的载体，例如传输的数据对应MessageEvent，状态的改变对应ChannelStateEvent。当对Channel进行操作时，会产生一个ChannelEvent，并发送到ChannelPipeline。ChannelPipeline会选择一个ChannelHandler进行处理。这个ChannelHandler处理之后，可能会产生新的ChannelEvent，并流转到下一个ChannelHandler。

例如，一个数据最开始是一个MessageEvent，它附带了一个未解码的原始二进制消息ChannelBuffer，然后某个Handler将其解码成了一个数据对象，并生成了一个新的MessageEvent，并传递给下一步进行处理。

到了这里，可以看到，其实Channel的核心流程位于ChannelPipeline中。于是我们进入ChannelPipeline的深层梦境里，来看看它具体的实现。

二层梦境：ChannelPipeline的主流程

Netty的ChannelPipeline包含两条线路：Upstream和Downstream。Upstream对应上行，接收到的消息、被动的状态改变，都属于Upstream。Downstream则对应下行，发送的消息、主动的状态改变，都属于Downstream。ChannelPipeline接口包含了两个重要的方法:sendUpstream(ChannelEvent e)和sendDownstream(ChannelEvent e)，就分别对应了Upstream和Downstream。

对应的，ChannelPipeline里包含的ChannelHandler也包含两类：ChannelUpstreamHandler和ChannelDownstreamHandler。每条线路的Handler是互相独立的。它们都很简单的只包含一个方法：ChannelUpstreamHandler.handleUpstream和ChannelDownstreamHandler.handleDownstream。

Netty官方的javadoc里有一张图(ChannelPipeline接口里)，非常形象的说明了这个机制(我对原图进行了一点修改，加上了ChannelSink，因为我觉得这部分对理解代码流程会有些帮助)：

什么叫ChannelSink呢？ChannelSink包含一个重要方法ChannelSink.eventSunk，可以接受任意ChannelEvent。“sink"的意思是"下沉”，那么"ChannelSink"好像可以理解为"Channel下沉的地方”？实际上，它的作用确实是这样，也可以换个说法：“处于末尾的万能Handler”。最初读到这里，也有些困惑，这么理解之后，就感觉简单许多。只有Downstream包含ChannelSink，这里会做一些建立连接、绑定端口等重要操作。为什么UploadStream没有ChannelSink呢？我只能认为，一方面，不符合"sink"的意义，另一方面，也没有什么处理好做的吧！

这里有个值得注意的地方：在一条“流”里，一个ChannelEvent并不会主动的"流"经所有的Handler，而是由上一个Handler显式的调用ChannelPipeline.sendUp(Down)stream产生，并交给下一个Handler处理。也就是说，每个Handler接收到一个ChannelEvent，并处理结束后，如果需要继续处理，那么它需要调用sendUp(Down)stream新发起一个事件。如果它不再发起事件，那么处理就到此结束，即使它后面仍然有Handler没有执行。这个机制可以保证最大的灵活性，当然对Handler的先后顺序也有了更严格的要求。

顺便说一句，在Netty 3.x里，这个机制会导致大量的ChannelEvent对象创建，因此Netty 4.x版本对此进行了改进。twitter的finagle框架实践中，就提到从Netty 3.x升级到Netty 4.x，可以大大降低GC开销。有兴趣的可以看看这篇文章：https://blog.twitter.com/2013/netty-4-at-twitter-reduced-gc-overhead

下面我们从代码层面来对这里面发生的事情进行深入分析，这部分涉及到一些细节，需要打开项目源码，对照来看，会比较有收获。

三层梦境：深入ChannelPipeline内部

DefaultChannelPipeline的内部结构

ChannelPipeline的主要的实现代码在DefaultChannelPipeline类里。列一下DefaultChannelPipeline的主要字段：

    public class DefaultChannelPipeline implements ChannelPipeline {

        private volatile Channel channel;
        private volatile ChannelSink sink;
        private volatile DefaultChannelHandlerContext head;
        private volatile DefaultChannelHandlerContext tail;
        private final Map<String, DefaultChannelHandlerContext> name2ctx =
            new HashMap<String, DefaultChannelHandlerContext>(4);
    }

这里需要介绍一下ChannelHandlerContext这个接口。顾名思义，ChannelHandlerContext保存了Netty与Handler相关的的上下文信息。而咱们这里的DefaultChannelHandlerContext，则是对ChannelHandler的一个包装。一个DefaultChannelHandlerContext内部，除了包含一个ChannelHandler，还保存了"next"和"prev"两个指针，从而形成一个双向链表。

因此，在DefaultChannelPipeline中，我们看到的是对DefaultChannelHandlerContext的引用，而不是对ChannelHandler的直接引用。这里包含"head"和"tail"两个引用，分别指向链表的头和尾。而name2ctx则是一个按名字索引DefaultChannelHandlerContext用户的一个map，主要在按照名称删除或者添加ChannelHandler时使用。

sendUpstream和sendDownstream

前面提到了，ChannelPipeline接口的两个重要的方法：sendUpstream(ChannelEvent e)和sendDownstream(ChannelEvent e)。所有事件的发起都是基于这两个方法进行的。Channels类有一系列fireChannelBound之类的fireXXXX方法，其实都是对这两个方法的facade包装。

下面来看一下这两个方法的实现(对代码做了一些简化，保留主逻辑)：

    public void sendUpstream(ChannelEvent e) {
        DefaultChannelHandlerContext head = getActualUpstreamContext(this.head);
        head.getHandler().handleUpstream(head, e);
    }

    private DefaultChannelHandlerContext getActualUpstreamContext(DefaultChannelHandlerContext ctx) {
        DefaultChannelHandlerContext realCtx = ctx;
        while (!realCtx.canHandleUpstream()) {
            realCtx = realCtx.next;
            if (realCtx == null) {
                return null;
            }
        }
        return realCtx;
    }

这里最终调用了ChannelUpstreamHandler.handleUpstream来处理这个ChannelEvent。有意思的是，这里我们看不到任何"将Handler向后移一位"的操作，但是我们总不能每次都用同一个Handler来进行处理啊？实际上，我们更为常用的是ChannelHandlerContext.handleUpstream方法(实现是DefaultChannelHandlerContext.sendUpstream方法)：

    public void sendUpstream(ChannelEvent e) {
        DefaultChannelHandlerContext next = getActualUpstreamContext(this.next);
        DefaultChannelPipeline.this.sendUpstream(next, e);
    }

可以看到，这里最终仍然调用了ChannelPipeline.sendUpstream方法，但是它会将Handler指针后移。

我们接下来看看DefaultChannelHandlerContext.sendDownstream:

    public void sendDownstream(ChannelEvent e) {
        DefaultChannelHandlerContext prev = getActualDownstreamContext(this.prev);
        if (prev == null) {
            try {
                getSink().eventSunk(DefaultChannelPipeline.this, e);
            } catch (Throwable t) {
                notifyHandlerException(e, t);
            }
        } else {
            DefaultChannelPipeline.this.sendDownstream(prev, e);
        }
    }

与sendUpstream好像不大相同哦？这里有两点：一是到达末尾时，就如梦境二所说，会调用ChannelSink进行处理；二是这里指针是往前移的，所以我们知道了：

UpstreamHandler是从前往后执行的，DownstreamHandler是从后往前执行的。在ChannelPipeline里添加时需要注意顺序了！

DefaultChannelPipeline里还有些机制，像添加/删除/替换Handler，以及ChannelPipelineFactory等，比较好理解，就不细说了。

回到现实：Pipeline解决的问题

好了，深入分析完代码，有点头晕了，我们回到最开始的地方，来想一想，Netty的Pipeline机制解决了什么问题？

我认为至少有两点：

一是提供了ChannelHandler的编程模型，基于ChannelHandler开发业务逻辑，基本不需要关心网络通讯方面的事情，专注于编码/解码/逻辑处理就可以了。Handler也是比较方便的开发模式，在很多框架中都有用到。

二是实现了所谓的"Universal Asynchronous API”。这也是Netty官方标榜的一个功能。用过OIO和NIO的都知道，这两套API风格相差极大，要从一个迁移到另一个成本是很大的。即使是NIO，异步和同步编程差距也很大。而Netty屏蔽了OIO和NIO的API差异，通过Channel提供对外接口，并通过ChannelPipeline将其连接起来，因此替换起来非常简单。

理清了ChannelPipeline的主流程，我们对Channel部分的大致结构算是弄清楚了。可是到了这里，我们依然对一个连接具体怎么处理没有什么概念，下篇文章，我们会分析一下，在Netty中，捷径如何处理连接的建立、数据的传输这些事情。

PS: Pipeline这部分拖了两个月，终于写完了。中间写的实在缓慢，写个高质量(至少是自认为吧！)的文章不容易，但是仍不忍心这部分就此烂尾。中间参考了一些优秀的文章，还自己使用netty开发了一些应用。以后这类文章，还是要集中时间来写完好了。

参考资料：

• Sink http://en.wikipedia.org/wiki/Sink_(computing)