一、UnSafe相关介绍

1、JAVA中Unsafe简介

为什么先介绍Unsafe这个东西呢？我们知道JDK中也有UnSafe,Java中的Unsafe类为我们提供了类似C++手动管理内存的能力。封装这一系列的native方法。并且是禁止我们开发者自己使用的。当然你可以通过反射进行获取。

JAVA中的UnSafe提供以下的功能

可以看到，java中的unsafe提供的都是至关重要的一些功能。

2、Netty中Unsafe介绍

Netty中的unsafe同样也是非常重要的。因为在Netty源码中很多地方都是用到了这个相关工具，Unsafe接口中定义了socket相关操作，包括SocketAddress获取、selector注册、网卡端口绑定、socket建连与断连、socket写数据。这些操作都和jdk底层socket相关。他的继承关系如下。

Unsafe是Channel的内部类，一个Channel对应一个Unsafe。

Unsafe用于处理Channel对应网络IO的底层操作。ChannelHandler处理回调事件时产生的相关网络IO操作最终也会委托给Unsafe执行。

NioUnsafe在Unsafe基础上增加了几个操作，包括访问jdk的SelectableChannel、socket读数据等。

NioByteUnsafe实现了与socket连接的字节数据读取相关的操作。

NioMessageUnsafe实现了与新连接建立相关的操作。

二、EventLoopGroup和EventLoop源码分析

我们就从最开始的Demo开始了解Netty的源码吧。大家都知道Netty是一个网络Io框架，他继承NIO，BIO，AIO，并能够按照模板化的方式去实现相关功能。我们以前也单独讲过JAVA原生的NIO实现。那么Netty到底是怎么将他们产生联系的呢？接下来一步一步为大家解读Netty源码。了解Netty的技术内幕。

PS:以下源码使用的是Netty4.1.28版本

1、初始化EventLoopGroup

在服务器启动的常规代码里，首先是实例化NioEventLoopGroup和ServerBootstrap。

执行这行代码时会发生什么？由NioEventLoopGroup开始，一路调用，到达MultithreadEventLoopGroup，如果没有指定创建的线程数量，则默认创建的线程个数为DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS，该数值为：处理器数量x2。

protected MultithreadEventLoopGroup(int nThreads, ThreadFactory threadFactory, Object... args) {
        super(nThreads == 0 ? DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS : nThreads, threadFactory, args);
    }

private static final int DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS;

    static {
        DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS = Math.max(1, SystemPropertyUtil.getInt(
                "io.netty.eventLoopThreads", NettyRuntime.availableProcessors() * 2));

        if (logger.isDebugEnabled()) {
            logger.debug("-Dio.netty.eventLoopThreads: {}", DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS);
        }
    }

最终由MultithreadEventExecutorGroup实例化

/**
     * Create a new instance.
     *
     * @param nThreads          the number of threads that will be used by this instance.
     * @param executor          the Executor to use, or {@code null} if the default should be used.
     * @param chooserFactory    the {@link EventExecutorChooserFactory} to use.
     * @param args              arguments which will passed to each {@link #newChild(Executor, Object...)} call
     */
    protected MultithreadEventExecutorGroup(int nThreads, Executor executor,
                                            EventExecutorChooserFactory chooserFactory, Object... args)

在这个构造方法中，实例化了每个EventLoop所需要的执行器Executor

if (executor == null) {
            executor = new ThreadPerTaskExecutor(newDefaultThreadFactory());
        }

由此可见，每个NioEventLoop的执行器为ThreadPerTaskExecutor，ThreadPerTaskExecutor实现了Executor接口，并会在execute方法中启动真正的线程，但是要和NioEventLoop的线程挂钩则在SingleThreadEventExecutor的doStartThread方法里。

public final class ThreadPerTaskExecutor implements Executor {
    private final ThreadFactory threadFactory;

    public ThreadPerTaskExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
        if (threadFactory == null) {
            throw new NullPointerException("threadFactory");
        }
        this.threadFactory = threadFactory;
    }

    @Override
    public void execute(Runnable command) {
        //使用真正的线程执行方法
        threadFactory.newThread(command).start();
    }
}

接下来，new出EventExecutor（实际是NioEventLoop）的实例数组，并在循环里new每个具体的EventLoop实例

那么在NioEventLoop实例的构造方法里又做了什么事情呢？

@Override
    protected EventLoop newChild(Executor executor, Object... args) throws Exception {
        return new NioEventLoop(this, executor, (SelectorProvider) args[0],
            ((SelectStrategyFactory) args[1]).newSelectStrategy(), (RejectedExecutionHandler) args[2]);
    }

作为IO事件处理的主要组件，内部持有了Selector、SelectionKey的集合，所以构造方法中执行了关键方法openSelector()，最终通过JDK的api拿到selector的实例，作用和我们通过原生JDK的NIO编程中创建选择器是一样的。

另外，我们观察下NioEventLoop的类图如下

发现最终实现Exector，我们可以知道，EventLoop本质上是一个线程池，EventLoop内部维护着一个线程Thread和几个阻塞队列，所以EventLoop可以看成只有一个线程的线程池（SingleThreadPool）

每个EventLoop包含的线程Thread定义在父类SingleThreadEventExecutor中，每个EventLoop包含两个队列，taskQueue来自父类SingleThreadEventExecutor，保存各种任务，比如处理事件等等，tailTask来自父类SingleThreadEventLoop，用于每次事件循环后置任务处理

作为IO事件处理的主要组件，必然离不开对事件的处理机制，在NioEventLoop的run方法，就有selector上进行select和调用processSelectedKeys()处理各种事件集。

2、NioEventLoop 的运行

@Override
protected void run() {
    for (;;) {
        try {
            try {
                // 1、通过 hasTasks() 判断当前消息队列中是否还有未处理的消息
                switch (selectStrategy.calculateStrategy(selectNowSupplier, hasTasks())) {
                case SelectStrategy.CONTINUE:
                    continue;

                //hasTasks() 没有任务则执行 select() 处理网络IO
                case SelectStrategy.SELECT:
                //轮询事件，见第三小节
                    select(wakenUp.getAndSet(false));

                    if (wakenUp.get()) {
                        selector.wakeup();
                    }
                    // fall through
                default:
                }
            } catch (IOException e) {
                // If we receive an IOException here its because the Selector is messed up. Let's rebuild
                // the selector and retry. https://github.com/netty/netty/issues/8566
                rebuildSelector0();
                handleLoopException(e);
                continue;
            }

            cancelledKeys = 0;
            needsToSelectAgain = false;
            // 处理IO事件所需的时间和花费在处理 task 时间的比例，默认为 50%
            final int ioRatio = this.ioRatio;
            if (ioRatio == 100) {
                try {
                    // 如果 IO 的比例是100，表示每次都处理完IO事件后，才执行所有的task
                    processSelectedKeys();
                } finally {
                    // 执行 task 任务
                    runAllTasks();
                }
            } else {
                // 记录处理 IO 开始的执行时间
                final long ioStartTime = System.nanoTime();
                try {
                //IO任务处理，见第四小节
                    processSelectedKeys();
                } finally {
                    // 计算处理 IO 所花费的时间
                    final long ioTime = System.nanoTime() - ioStartTime;
                    // 执行 task 任务，判断执行 task 任务时间是否超过配置的比例，如果超过则停止执行 task 任务
                    runAllTasks(ioTime * (100 - ioRatio) / ioRatio);
                }
            }
        } catch (Throwable t) {
            handleLoopException(t);
        }
        // Always handle shutdown even if the loop processing threw an exception.
        try {
            if (isShuttingDown()) {
                closeAll();
                if (confirmShutdown()) {
                    return;
                }
            }
        } catch (Throwable t) {
            handleLoopException(t);
        }
    }
}

1、调用selectStrategy.calculateStrategy 判断是否有 Task任务，如果没有则调用 selectSupplier.get() 方法，该方法是非阻塞的，判断是否有需要处理的 Channel。如果没有则返回 SelectStrategy.SELECT，然后执行 select(wakenUp.getAndSet(false)) 方法，阻塞等待可处理的 IO 就绪事件。

2、如果有 Task 任务，则判断 ioRatio 的比率值，该值为 EventLoop 处理 IO 和 处理 Task 任务的时间的比率。默认比率为 50%。

• 如果 ioRatio == 100，则说明优先处理所有的 IO 任务，处理完所有的IO事件后才会处理所有的 Task 任务。
• 如果 ioRatio <> 100, 则优先处理所有的IO任务，处理完所有的IO事件后，才会处理所有的Task 任务，但处理所有的Task 任务的时候会判断执行 Task 任务的时间比率，如果超过配置的比率则中断处理 Task 队列中的任务。

从中可以发现，什么情况下都会优先处理 IO任务，但处理非 IO 任务时，会判断非 IO 任务执行的时间不能超过 ioRatio 的阈值。

3、Select方法

private void select(boolean oldWakenUp) throws IOException {
    Selector selector = this.selector;
    try {
        int selectCnt = 0;
        long currentTimeNanos = System.nanoTime();
        // 计算出 NioEventLoop 定时任务最近执行的时间（还有多少 ns 执行），单位 ns
        long selectDeadLineNanos = currentTimeNanos + delayNanos(currentTimeNanos);

        for (;;) {
            // 为定时任务中的时间加上0.5毫秒，将时间换算成毫秒
            long timeoutMillis = (selectDeadLineNanos - currentTimeNanos + 500000L) / 1000000L;
            // 对定时任务的超时时间判断，如果到时间或超时，则需要立即执行 selector.selectNow()
            if (timeoutMillis <= 0) {
                if (selectCnt == 0) {
                    selector.selectNow();
                    selectCnt = 1;
                }
                break;
            }
            // 轮询过程中发现有任务加入,中断本次轮询
            if (hasTasks() && wakenUp.compareAndSet(false, true)) {
                selector.selectNow();
                selectCnt = 1;
                break;
            }
            // Nio 的 阻塞式 select 操作
            int selectedKeys = selector.select(timeoutMillis);
            // select 次数 ++ , 通过该次数可以判断是否出发了 JDK Nio中的 Selector 空轮循 bug
            selectCnt ++;

             // 如果selectedKeys不为空、或者被用户唤醒、或者队列中有待处理任务、或者调度器中有任务，则break
            if (selectedKeys != 0 || oldWakenUp || wakenUp.get() || hasTasks() || hasScheduledTasks()) {
                break;
            }
            //如果线程被中断则重置selectedKeys，同时break出本次循环，所以不会陷入一个繁忙的循环。
            if (Thread.interrupted()) {
                selectCnt = 1;
                break;
            }

            long time = System.nanoTime();
            // 如果超时，把 selectCnt 置为 1，开始下一次的循环
            if (time - TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeoutMillis) >= currentTimeNanos) {
                // timeoutMillis elapsed without anything selected.
                selectCnt = 1;
            }
            //  如果 selectCnt++ 超过 默认的 512 次，说明触发了 Nio Selector 的空轮训 bug，则需要重新创建一个新的 Selector，并把注册的 Channel 迁移到新的 Selector 上
            else if (SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD > 0 &&
                    selectCnt >= SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD) {
                // 重新创建一个新的 Selector，并把注册的 Channel 迁移到新的 Selector 上，
                //解决NIO Selector空轮询bug，见第五小节
                selector = selectRebuildSelector(selectCnt);
                selectCnt = 1;
                break;
            }

            currentTimeNanos = time;
        }

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

1、通过 delayNanos(currentTimeNanos) 计算出 定时任务队列中第一个任务的执行时间。
2、判断是否到期，如果到期则执行 selector.selectNow()，退出循环
3、如果定时任务未到执行时间，则通过 hasTasks() 判断是否有可执行的任务，如果有则中断本次循环。
4、既没有到期的定时任务、也没有可执行的Task，则调用 selector.select(timeoutMillis) 方法阻塞，等待注册到 Selector 上感兴趣的事件。
5、每次 select() 后都会 selectCnt++。通过该次数可以判断是否出发了 JDK Nio中的 Selector 空轮询 bug
6、如果selectedKeys不为空、或者被用户唤醒、或者队列中有待处理任务、或者调度器中有任务，则break。
7、通过 selectCnt 判断是否触发了 JDK Selector 的空轮询 bug，SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD 默认为 512, 可修改。
8、通过 selectRebuildSelector() 方法解决 Selector 空轮询 bug。

4、processSelectedKeys IO事件处理

private void processSelectedKeys() {
        if (selectedKeys != null) {
            processSelectedKeysOptimized();
        } else {   
        //默认没有使用优化的 Set，所有调用 processSelectedKeysPlain() 方法进行处理 IO 任务
            processSelectedKeysPlain(selector.selectedKeys());
        }
    }

private void processSelectedKeysPlain(Set<SelectionKey> selectedKeys) {
        // check if the set is empty and if so just return to not create garbage by
        // creating a new Iterator every time even if there is nothing to process.
        // See https://github.com/netty/netty/issues/597
        if (selectedKeys.isEmpty()) {
            return;
        }

        Iterator<SelectionKey> i = selectedKeys.iterator();
//循环处理每个 selectionKey，每个selectionKey的处理首先根据attachment的类型来进行分发处理；
        for (;;) {
            final SelectionKey k = i.next();
            final Object a = k.attachment();
            i.remove();

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

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

            if (needsToSelectAgain) {
                selectAgain();
                selectedKeys = selector.selectedKeys();

                // Create the iterator again to avoid ConcurrentModificationException
                if (selectedKeys.isEmpty()) {
                    break;
                } else {
                    i = selectedKeys.iterator();
                }
            }
        }
    }

private void processSelectedKey(SelectionKey k, AbstractNioChannel ch) {
//首先获取 Channel 的 NioUnsafe，所有的读写等操作都在 Channel 的 unsafe 类中操作。
        final AbstractNioChannel.NioUnsafe unsafe = ch.unsafe();
        if (!k.isValid()) {
            final EventLoop eventLoop;
            try {
                eventLoop = ch.eventLoop();
            } catch (Throwable ignored) {
           
                return;
            }
         
            if (eventLoop != this || eventLoop == null) {
                return;
            }
         
            unsafe.close(unsafe.voidPromise());
            return;
        }

        try {
            int readyOps = k.readyOps();
          //熟悉的获取 SelectionKey 就绪事件，如果是 OP_CONNECT，则说明已经连接成功，并把注册的 OP_CONNECT 事件取消
            if ((readyOps & SelectionKey.OP_CONNECT) != 0) {
              
                int ops = k.interestOps();
                ops &= ~SelectionKey.OP_CONNECT;
                k.interestOps(ops);

                unsafe.finishConnect();
            }

          //如果是 OP_WRITE 事件，说明可以继续向 Channel 中写入数据，当写完数据后用户自己吧 OP_WRITE 事件取消掉。
            if ((readyOps & SelectionKey.OP_WRITE) != 0) {
             
                ch.unsafe().forceFlush();
            }

          //如果是 OP_READ 或 OP_ACCEPT 事件，则调用 unsafe.read() 进行读取数据。unsafe.read() 中会调用到 ChannelPipeline 进行读取数据。
            if ((readyOps & (SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_ACCEPT)) != 0 || readyOps == 0) {
                unsafe.read();
            }
        } catch (CancelledKeyException ignored) {
            unsafe.close(unsafe.voidPromise());
        }
    }

5、Netty解决JAVA NiO空轮询BUG

第三节select方法介绍中，已经描述了Netty解决JAVA原生NIO空轮询bug的方法，主要思路就是重新创建 Selector，并把原 Selector 上注册的 Channel 迁移到新的 Selector 上

private Selector selectRebuildSelector(int selectCnt) throws IOException {
    // 重新创建 Selector，并把原 Selector 上注册的 Channel 迁移到新的 Selector 上
    rebuildSelector();
    Selector selector = this.selector;

    selector.selectNow();
    return selector;
}

private void rebuildSelector0() {
    final Selector oldSelector = selector;
    final SelectorTuple newSelectorTuple;
    ......
    try {
        // 创建新的 Selector
        newSelectorTuple = openSelector();
    } catch (Exception e) {
        logger.warn("Failed to create a new Selector.", e);
        return;
    }

    int nChannels = 0;
    // 循环原 Selector 上注册的所有的 SelectionKey
    for (SelectionKey key: oldSelector.keys()) {
        Object a = key.attachment();
        try {

            int interestOps = key.interestOps();
            key.cancel();
            SelectionKey newKey = key.channel().register(newSelectorTuple.unwrappedSelector, interestOps, a);
            ......
            nChannels ++;
        } catch (Exception e) {
            ......
        }
    }
    // 将新的 Selector 替换 原 Selector
    selector = newSelectorTuple.selector;
    unwrappedSelector = newSelectorTuple.unwrappedSelector;
    ......
}

6、EventLoop构造过程一图总结