本篇内容主要梳理一下 Netty 中编解码器的逻辑和编解码器在 Netty 整个链路中的位置。

前面我们在分析 ChannelPipeline 的时候说到入站和出站事件的处理都在 pipeline 中维护着,通过list的形式将处理事件的 handler 按照先后关系保存为一个列表,有对应的事件过来就按照列表顺序取出 handler 来处理事件。

如果是入站事件按照 list 自然顺序调用 handler 来处理,如果是出站事件则反序调用 handler 来处理。所有的入站事件处理器都继承自 ChannelInboundHandler,出站事件处理器都继承自 ChannelOutboundHandler。channelPipeline 上的注释有说明 inbound 事件的传播顺序是:

* 入栈事件传播方法
* <li>{@link ChannelHandlerContext#fireChannelRegistered()}</li>
* <li>{@link ChannelHandlerContext#fireChannelActive()}</li>
* <li>{@link ChannelHandlerContext#fireChannelRead(Object)}</li>
* <li>{@link ChannelHandlerContext#fireChannelReadComplete()}</li>
* <li>{@link ChannelHandlerContext#fireExceptionCaught(Throwable)}</li>
* <li>{@link ChannelHandlerContext#fireUserEventTriggered(Object)}</li>
* <li>{@link ChannelHandlerContext#fireChannelWritabilityChanged()}</li>
* <li>{@link ChannelHandlerContext#fireChannelInactive()}</li>
* <li>{@link ChannelHandlerContext#fireChannelUnregistered()}</li>
* </ul>
* </li>

即 handler 中的方法调用顺序是如上所示,我们主要关注的点在 channelRead() 方法上。下面就由 channelRead() 出发,去看看编解码器的使用。

1. channelRead 解析

inbound 事件的入口在 NioEventLoop #run() 方法#processSelectedKeys()#processSelectedKeysPlain()#processSelectedKey()#unsafe.read()。

这里的 UnSafe 是定义在 Channel 接口中的子接口,并不是 JDK 的 UnSafe 类。UnSafe作为 channel 的内部类承担着 channel 网络读写相关的功能,这里可以抽出一节讨论,不是本篇的重点。我们继续看 UnSafe 的子类 NioByteUnsafe 重写的 read() 方法:

@Override
public final void read() {
final ChannelConfig config = config();
final ChannelPipeline pipeline = pipeline();
//allocator负责建立缓冲区
final ByteBufAllocator allocator = config.getAllocator();
final RecvByteBufAllocator.Handle allocHandle = recvBufAllocHandle();
allocHandle.reset(config); ByteBuf byteBuf = null;
boolean close = false;
try {
do {
//分配内存
byteBuf = allocHandle.allocate(allocator);
//读取socketChannel数据到分配的byteBuf,对写入的大小进行一个累计叠加
allocHandle.lastBytesRead(doReadBytes(byteBuf));
if (allocHandle.lastBytesRead() <= 0) {
// nothing was read. release the buffer.
byteBuf.release();
byteBuf = null;
close = allocHandle.lastBytesRead() < 0;
break;
} allocHandle.incMessagesRead(1);
readPending = false;
//触发pipeline的ChannelRead事件来对byteBuf进行后续处理
pipeline.fireChannelRead(byteBuf);
byteBuf = null;
} while (allocHandle.continueReading());
// 记录总共读取的大小
allocHandle.readComplete();
pipeline.fireChannelReadComplete(); if (close) {
closeOnRead(pipeline);
}
} catch (Throwable t) {
handleReadException(pipeline, byteBuf, t, close, allocHandle);
} 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 (!readPending && !config.isAutoRead()) {
removeReadOp();
}
}
}
}

read()方法从内存读取数据给到 ByteBuf,上一节我们提到了ByteBuf,Netty 自己实现的 byte 字节累加器。下面有一个while循环,每次读取的 bytebuf 会给到 pipeline.fireChannelRead(byteBuf)方法去处理。继续看 ChannelPipeline 的默认实现类 DefaultChannelPipeline 中的实现:

@Override
public final ChannelPipeline fireChannelRead(Object msg) {
AbstractChannelHandlerContext.invokeChannelRead(head, msg);
return this;
}

调用了 AbstractChannelHandlerContext#invokeChannelRead()方法:

static void invokeChannelRead(final AbstractChannelHandlerContext next, Object msg) {
final Object m = next.pipeline.touch(ObjectUtil.checkNotNull(msg, "msg"), next);
EventExecutor executor = next.executor();
if (executor.inEventLoop()) {
next.invokeChannelRead(m);
} else {
executor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
next.invokeChannelRead(m);
}
});
}
} private void invokeChannelRead(Object msg) {
if (invokeHandler()) {
try {
((ChannelInboundHandler) handler()).channelRead(this, msg);
} catch (Throwable t) {
notifyHandlerException(t);
}
} else {
fireChannelRead(msg);
}
}

重点就在 invokeChannelRead() 的这一句:

((ChannelInboundHandler) handler()).channelRead(this, msg);

最终触发了 ChannelInboundHandler#channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) 方法。

所有的入站事件都实现了 ChannelInboundHandler 接口,不难理解我们的 handler 就是这样接收到 bytebuf 然后进行下一步处理的。

2. Read 事件一次可以读多少字节

说编解码器之前我们先解决一个问题,如果不使用任何的编解码器,默认的传输对象应该是 byteBuf,那么 Netty 默认一次是读取多少字节呢?前面在讲粘包的文章里我在 packageEvent1工程示例中演示了不使用任何编解码工具读取数据,默认一次会话会读取1024字节,大家有兴趣可以回到上一篇看看 Netty 中的粘包和拆包,在 handler 中打上断点就知道当前一次读取包的长度。既然知道是1024,就好奇到底是在哪里设置的,出发点肯定还是上面提到的 read() 方法:

byteBuf = allocHandle.allocate(allocator);

这一句就是从内存中拿出字节分配到 bytebuf,allocate() 是 RecvByteBufAllocator 接口中的方法,这个接口有很多实现类,那到底默认是哪个实现类生效呢?

我们再回到 NioSocetChannel ,看他的构造方法:

public NioSocketChannel(Channel parent, SocketChannel socket) {
super(parent, socket);
config = new NioSocketChannelConfig(this, socket.socket());
} private final class NioSocketChannelConfig extends DefaultSocketChannelConfig {
private NioSocketChannelConfig(NioSocketChannel channel, Socket javaSocket) {
super(channel, javaSocket);
} @Override
protected void autoReadCleared() {
clearReadPending();
}
}

这里会生成一些配置信息,主要是一些 socket 默认参数以供初始化连接使用。NioSocketChannelConfig 构造方法里面调用了父类 DefaultSocketChannelConfig 的构造方法:

public DefaultSocketChannelConfig(SocketChannel channel, Socket javaSocket) {
super(channel);
if (javaSocket == null) {
throw new NullPointerException("javaSocket");
}
this.javaSocket = javaSocket; // Enable TCP_NODELAY by default if possible.
if (PlatformDependent.canEnableTcpNoDelayByDefault()) {
try {
setTcpNoDelay(true);
} catch (Exception e) {
// Ignore.
}
}
}

同样这里又往上调用了父类 DefaultChannelConfig :

public DefaultChannelConfig(Channel channel) {
this(channel, new AdaptiveRecvByteBufAllocator());
} protected DefaultChannelConfig(Channel channel, RecvByteBufAllocator allocator) {
setRecvByteBufAllocator(allocator, channel.metadata());
this.channel = channel;
}

怎样,是不是看到了 AdaptiveRecvByteBufAllocator, 他就是 RecvByteBufAllocator 的实现类之一。所以我们只要看它是怎样设置默认值即可。

AdaptiveRecvByteBufAllocator 的默认构造方法:

public AdaptiveRecvByteBufAllocator() {
this(DEFAULT_MINIMUM, DEFAULT_INITIAL, DEFAULT_MAXIMUM);
}

这3个参数的默认值为:

static final int DEFAULT_MINIMUM = 64;
static final int DEFAULT_INITIAL = 1024;
static final int DEFAULT_MAXIMUM = 65536;

DEFAULT_MINIMUM 是缓冲区最小值,DEFAULT_INITIAL 是缓冲区默认值,DEFAULT_MAXIMUM是缓冲区最大值,到这里我们就找到了默认值是从哪里来的了。

默认大小是1024,但是并不是固定不变,它会有一个动态调整的动作。除了这三个字段外,还定义了两个动态调整容量的步长索引参数:

private static final int INDEX_INCREMENT = 4;
private static final int INDEX_DECREMENT = 1;

扩张的步进索引为4,收缩的步进索引为1。

private static final int[] SIZE_TABLE;

static {
List<Integer> sizeTable = new ArrayList<Integer>();
for (int i = 16; i < 512; i += 16) {
sizeTable.add(i);
} for (int i = 512; i > 0; i <<= 1) {
sizeTable.add(i);
} SIZE_TABLE = new int[sizeTable.size()];
for (int i = 0; i < SIZE_TABLE.length; i ++) {
SIZE_TABLE[i] = sizeTable.get(i);
}
}

SIZE_TABLE 为长度向量表,作用就是保存步长。上面的 static 修饰的代码块作用就是初始化长度向量表。从16开始,每次递增16,直到512,这里数组的下标为30。下标31的初始值为512, i递增的值为左移一位,左移一位相当于乘以2,所以每次递增是以当前值的倍数增加的,最终增加到的值直到 Integer 能达到的最大值。

长度向量表的值可以得出:

0-->16
1-->32
2-->48
3-->64
4-->80
5-->96
6-->112
7-->128
8-->144
9-->160
10-->176
11-->192
12-->208
13-->224
14-->240
15-->256
16-->272
17-->288
18-->304
19-->320
20-->336
21-->352
22-->368
23-->384
24-->400
25-->416
26-->432
27-->448
28-->464
29-->480
30-->496 31-->512
32-->1024
33-->2048
34-->4096
35-->8192
36-->16384
37-->32768
38-->65536
39-->131072
40-->262144
41-->524288
42-->1048576
43-->2097152
44-->4194304
45-->8388608
46-->16777216
47-->33554432
48-->67108864
49-->134217728
50-->268435456
51-->536870912
52-->1073741824

SIZE_TABLE 里面的值是干啥用的呢,刚才提到会将 byte 数据先预读到缓冲区,初始默认大小为1024,当目前没有这么多字节需要读的时候,会动态缩小缓冲区,而预判待读取的字节有很多的时候会扩大缓冲区。

动态预估下一次可能会有多少数据待读取的操作在哪里呢?还是回到 read()方法,while 循环完一轮之后,会执行一句:

allocHandle.readComplete();

对应到 AdaptiveRecvByteBufAllocator 中:

@Override
public void readComplete() {
record(totalBytesRead());
} //根据当前的actualReadBytes大小,对nextReceiveBufferSize进行更新
private void record(int actualReadBytes) {
//如果actualReadBytes 小于 当前索引-INDEX_DECREMENT-1 的值,说明容量需要缩减
if (actualReadBytes <= SIZE_TABLE[Math.max(0, index - INDEX_DECREMENT - 1)]) {
if (decreaseNow) {
//则取 当前索引-INDEX_DECREMENT 与 minIndex的最大值
index = Math.max(index - INDEX_DECREMENT, minIndex);
nextReceiveBufferSize = SIZE_TABLE[index];
decreaseNow = false;
} else {
decreaseNow = true;
}
//读到的值大于缓冲大小
} else if (actualReadBytes >= nextReceiveBufferSize) {
// INDEX_INCREMENT=4 index前进4
index = Math.min(index + INDEX_INCREMENT, maxIndex);
nextReceiveBufferSize = SIZE_TABLE[index];
decreaseNow = false;
}
}

通过上一次的流大小来预测下一次的流大小,可针对不同的应用场景来进行缓冲区的分配。像IM消息可能是几K ,文件传输可能是几百M,不同的场景用到的内存缓冲大小不一样对性能的影响也不同。如果所有的场景都是同一种内存空间分配,客户端连接多的情况下,线程数过多可能导致内存溢出。

3. Netty 中的编解码器

上面两小节聊到消息从哪里来,默认消息格式为 ByteBuf,缓冲区大小默认为1024,会动态预估下次缓冲区大小。下面我们就正式来说一下编解码相关的内容,编解码相关的源码都在 codec 包中:

因为编码器要实现的是对输出的内容编码,都是实现 ChannelOutboundHandler 接口,解码器对接收的内容解码,都是实现 ChannelInboundHandler 接口,所以可以完全适配 ChannelPipeline 将编解码器作为一种插件的形式做一些灵活的搭配。

3.1 decoder

解码器负责将输入的消息解析为指定的格式。消息输入都来自inbound,即继承 ChannelInboundHandler 接口,顶级的解码器有两种类型:

  • 将字节解码为消息:ByteToMessageDecoder
  • 将一种消息类型解码为另一种 类型:MessageToMessageDecoder

字节码解析为消息这应该是最普通,最基本的使用方式,这里所谓的字节码就是上面我们讲到的 ByteBuf 序列,默认包含1024字节的字节数组。关于 ByteToMessageDecoder 的分析上一节在讲粘包的时候顺带提及,大家有兴趣可以回去看看:ByteToMessageDecoder 分析

MessageToMessageDecoder 更好理解,比如消息的类型为Integer,需要将 Integer 转为 String。那么就可以继承 MessageToMessageDecoder 实现自己的转换方法。我们先简单看一下它的实现:

@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
CodecOutputList out = CodecOutputList.newInstance();
try {
if (acceptInboundMessage(msg)) {
@SuppressWarnings("unchecked")
I cast = (I) msg;
try {
decode(ctx, cast, out);
} finally {
ReferenceCountUtil.release(cast);
}
} else {
out.add(msg);
}
} catch (DecoderException e) {
throw e;
} catch (Exception e) {
throw new DecoderException(e);
} finally {
int size = out.size();
for (int i = 0; i < size; i ++) {
ctx.fireChannelRead(out.getUnsafe(i));
}
out.recycle();
}
} protected abstract void decode(ChannelHandlerContext ctx, I msg, List<Object> out) throws Exception;

上面的 channelRead()方法中将 msg 转为消息原本的类型,然后进入 decode()方法。 decode() 是一个抽象方法,言意之下你想转为啥类型,你就实现该方法去转便是。

3.2 encoder

编码器主要的作用是将出站事件的消息按照指定格式编码输出。那么编码器应该是继承 outBound 事件,看一下主要的类图:

编码器的基本类型与解码器相反:将对象拆解为字节,将对象编码为另一种对象。

关于基本编解码器的使用和自定义编解码器上一节我们已经讲过,这里就不再复述。下一篇单独看看在 Netty 中使用protobuf编码格式进行数据传输。