本文主要分享Netty中事件循环机制的实现。
源码分析基于Netty 4.1
EventLoop
前面分享服务端和客户端启动过程的文章中说过，Netty通过事件循环机制(EventLoop)处理IO事件和异步任务，简单来说，就是通过一个死循环，不断处理当前已发生的IO事件和待处理的异步任务。示例如下
while(true) {
process(selector.select());
process(getTask());
}
这种事件循环机制也是一种常用的IO事件处理机制，包括Redis，Mysql都使用了类似的机制。
关于异步任务，前面文章说过，EventLoop实现了(jvm)Executor的接口，execute方法可以提供异步任务。
register，bind，connect等操作，都会提交一个任务给EventLoop处理。如
if (eventLoop.inEventLoop()) {
register0(promise);
} else {
eventLoop.execute(new Runnable() {
public void run() {
register0(promise);
}
});
}
下面看一下Netty中事件循环机制相关的类。
EventExecutor，事件执行器，负责处理事件。
EventExecutorGroup维护了一个EventExecutor链表，它继承了ScheduledExecutorService，execute方法通过next方法选择一个EventExecutor，并调用EventLoop#execute处理事件。
（EventExecutor继承了EventExecutorGroup，可以看做一个特殊的EventExecutorGroup，其execute方法可以提交一个任务任务）
EventLoop，事件循环器，继承了EventExecutor，通过循环不断处理注册于其上的Channel的IO事件。
EventLoopGroup接口则继承了EventExecutorGroup，负责调度EventLoop。
SingleThreadEventExecutor实现了EventExecutor，它会创建一个新线程，并在该线程上处理事件，可以理解为单线程处理器。
MultithreadEventExecutorGroup实现EventExecutorGroup，可以理解为多线程处理器（实际上是维护了多个EventExecutor，一个EventExecutor可以理解为一个线程），newChild方法构造具体的EventExecutor。
MultithreadEventExecutorGroup可以配置EventExecutor数量，即线程数量。
EventExecutorChooserFactory.EventExecutorChooser负责选择一个EventExecutor执行实际操作。
NioEventLoop继承了SingleThreadEventExecutor，负责处理NIO事件。所以，一个NioEventLoop对象可以看做是一个线程。
NioEventLoop也实现了EventLoop接口，它实现了事件循环机制，是Netty核心类。
MultithreadEventLoopGroup继承了MultithreadEventExecutorGroup，并实现了EventLoopGroup，其newChild方法构造具体的EventLoop。
NioEventLoopGroup#newChild会构建NioEventLoop。
EventLoop各实现类关系如下
启动
SingleThreadEventExecutor关键字段
private final Queue<Runnable> taskQueue; // 待处理异步任务
private volatile Thread thread; // EventLoop执行线程，即SingleThreadEventExecutor创建的新线程
private final Executor executor; // java.util.concurrent.Executor，负责创建线程
当我们通过execute方法提交任务时，如果还没有创建执行新线程，会通过SingleThreadEventExecutor#executor一个新线程，并在新线程中调用run方法(run方法由子类实现，负责实现事件循环机制，新线程是EventLoop真正执行线程)。
SingleThreadEventExecutor#execute
public void execute(Runnable task) {
...
boolean inEventLoop = inEventLoop();
// #1
addTask(task);
// #2
if (!inEventLoop) {
startThread();
// #3
if (isShutdown()) {
...
}
}
// #4
if (!addTaskWakesUp && wakesUpForTask(task)) {
wakeup(inEventLoop);
}
}
#1 添加任务到待处理列表#2
inEventLoop方法，判断当前线程是否为EventLoop执行线程
若当前线程非EventLoop执行线程，调用startThread方法启动一个新的线程，执行run方法。
这里可以理解为启动EventLoop。#3 如果当前EventLoop已关闭，拒绝任务#4 若当前EventLoop线程阻塞正等待IO事件(Selector#select方法)，调用wakeup方法唤醒线程执行该新增任务
循环机制
NioEventLoop#run方法负责实现NIO事件处理机制。
protected void run() {
int selectCnt = 0;
// #1
for (;;) {
int strategy;
// #2
strategy = selectStrategy.calculateStrategy(selectNowSupplier, hasTasks());
switch (strategy) {
case SelectStrategy.CONTINUE:
continue;
case SelectStrategy.BUSY_WAIT:
// fall-through to SELECT since the busy-wait is not supported with NIO
case SelectStrategy.SELECT:
// #3
long curDeadlineNanos = nextScheduledTaskDeadlineNanos();
if (curDeadlineNanos == -1L) {
curDeadlineNanos = NONE; // nothing on the calendar
}
nextWakeupNanos.set(curDeadlineNanos);
try {
// #4
if (!hasTasks()) {
strategy = select(curDeadlineNanos);
}
} finally {
// #5
nextWakeupNanos.lazySet(AWAKE);
}
// fall through
default:
}
...
// #6
selectCnt++;
cancelledKeys = 0;
needsToSelectAgain = false;
final int ioRatio = this.ioRatio;
boolean ranTasks;
// #7
if (ioRatio == 100) {
try {
if (strategy > 0) {
processSelectedKeys();
}
} finally {
// Ensure we always run tasks.
ranTasks = runAllTasks();
}
} else if (strategy > 0) {
final long ioStartTime = System.nanoTime();
try {
processSelectedKeys();
} finally {
// Ensure we always run tasks.
final long ioTime = System.nanoTime() - ioStartTime;
ranTasks = runAllTasks(ioTime * (100 - ioRatio) / ioRatio);
}
} else {
ranTasks = runAllTasks(0); // This will run the minimum number of tasks
}
// #8
if (ranTasks || strategy > 0) {
if (selectCnt > MIN_PREMATURE_SELECTOR_RETURNS && logger.isDebugEnabled()) {
logger.debug("Selector.select() returned prematurely {} times in a row for Selector {}.",
selectCnt - 1, selector);
}
selectCnt = 0;
} else if (unexpectedSelectorWakeup(selectCnt)) { // Unexpected wakeup (unusual case)
selectCnt = 0;
}
// #9
if (isShuttingDown()) {
closeAll();
if (confirmShutdown()) {
return;
}
}
}
}
为了版面整洁，这里删除了异常处理代码。#1 可以看到，这里通过一个死循环不断处理IO事件和异步任务。#2 如果当前存在待处理的任务，调用selector.selectNow()，这时会跳出switch语句，往下处理事件和任务，否则返回SelectStrategy.SELECT。#3 curDeadlineNanos，计算延迟任务队列中第一个任务的到期执行时间（即最晚还能延迟多长时间执行），没有任务则返回-1。
更新nextWakeupNanos为阻塞时间。
由于频繁调用(jvm)Selector.wakeup会造成性能消耗，NioEventLoop维护了一个唤醒标识nextWakeupNanos。nextWakeupNanos有三种值
NONE -- 执行线程被阻塞;
AWAKE -- 执行线程未阻塞;
其他值 -- 执行线程被超时阻塞，在指定的时间后唤醒;
NioEventLoop#wakeup方法中，只有nextWakeupNanos.getAndSet(AWAKE) != AWAKE成功才调用selector.wakeup()方法。#4
这时如果还没有任务加入，则执行select，阻塞线程。select方法返回结果作为新的strategy。#5
lazySet方法，设置值之后其他线程在短期内还是可能读到旧值
这里将nextWakeupNanos设置为AWAKE，主要是减少wakeup方法中不必要的wakeup操作。
所以使用lazySet方法也没有问题。#6 selectCnt增加
旧版本的Java NIO在Linux Epoll实现上存在bug，(jvm)Selector.select方法可能在没有任何就绪事件的情况下返回，导致CPU空转，利用率飙升到100%。
于是，Netty计算select方法重复调用次数selectCnt，并在selectCnt大于SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD配置(默认512)时，重建selector，从而规避该问题。
幸好在JDK6_6u4，JDK7_b12已修复该Bug。#7 processSelectedKeys方法处理IO事件，runAllTasks方法处理任务。
ioRatio表示执行IO事件所占CPU时间百分比，默认50，ioTime * (100 - ioRatio) / ioRatio，通过ioTime，ioRatio计算处理任务的CPU时间。#8 如果执行了任务或者select方法返回有效值，直接重置selectCnt。
unexpectedSelectorWakeup方法中会在selectCnt大于SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD时重建selector。#9 如果是正在关闭状态，则要关闭所有的Channel
IO事件
下面看一下Eventloop中如何处理IO事件。
NioEventLoop关键字段
Selector unwrappedSelector; // JVM中的Selector
Selector selector; // 优化后的SelectedSelectionKeySetSelector
SelectedSelectionKeySet selectedKeys; // 对(jvm)Selector#selectedKeys进行优化
SelectedSelectionKeySetSelector每次调用select前都清除SelectedSelectionKeySet
SelectedSelectionKeySet使用数组代替原Selector的中的HashSet，提高性能。数组默认大小为1024，不够用时扩展为原大小的2倍。
NioEventLoop#构造方法 -> NioEventLoop#openSelector
private SelectorTuple openSelector() {
final Selector unwrappedSelector;
try {
// #1
unwrappedSelector = provider.openSelector();
} catch (IOException e) {
throw new ChannelException("failed to open a new selector", e);
}
if (DISABLE_KEY_SET_OPTIMIZATION) {
return new SelectorTuple(unwrappedSelector);
}
...
final Class<?> selectorImplClass = (Class<?>) maybeSelectorImplClass;
final SelectedSelectionKeySet selectedKeySet = new SelectedSelectionKeySet();
Object maybeException = AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Object>() {
public Object run() {
try {
// #2
Field selectedKeysField = selectorImplClass.getDeclaredField("selectedKeys");
Field publicSelectedKeysField = selectorImplClass.getDeclaredField("publicSelectedKeys");
...
selectedKeysField.set(unwrappedSelector, selectedKeySet);
publicSelectedKeysField.set(unwrappedSelector, selectedKeySet);
return null;
} ...
}
});
...
selectedKeys = selectedKeySet;
logger.trace("instrumented a special java.util.Set into: {}", unwrappedSelector);
// #3
return new SelectorTuple(unwrappedSelector,
new SelectedSelectionKeySetSelector(unwrappedSelector, selectedKeySet));
}
#1 通过(jvm)SelectorProvider打开一个Selector#2 构造了selectedKeySet，并通过反射将该对象设置到Selector的selectedKeys，publicSelectedKeys属性中，这样Selector监听到的事件就会存储到selectedKeySet。#3 构造了SelectedSelectionKeySetSelector对象
NioEventLoop#select负责阻塞线程，等待IO事件
private int select(long deadlineNanos) throws IOException {
// #1
if (deadlineNanos == NONE) {
return selector.select();
}
// #2
long timeoutMillis = deadlineToDelayNanos(deadlineNanos + 995000L) / 1000000L;
return timeoutMillis <= 0 ? selector.selectNow() : selector.select(timeoutMillis);
}
#1 一直阻塞，知道发生IO事件或加入了新任务#2 计算阻塞时间，在原阻塞时间加上995微秒后转化为毫秒。
如果原阻塞时间在5微秒内，就不阻塞了。
IO事件的处理流程为
NioEventLoop#processSelectedKeys -> (没有禁用SelectedSelectionKeySet)processSelectedKeysOptimized -> processSelectedKey
private void processSelectedKey(SelectionKey k, AbstractNioChannel ch) {
final AbstractNioChannel.NioUnsafe unsafe = ch.unsafe();
...
try {
int readyOps = k.readyOps();
// #1
if ((readyOps & SelectionKey.OP_CONNECT) != 0) {
int ops = k.interestOps();
ops &= ~SelectionKey.OP_CONNECT;
k.interestOps(ops);
unsafe.finishConnect();
}
// #2
if ((readyOps & SelectionKey.OP_WRITE) != 0) {
// Call forceFlush which will also take care of clear the OP_WRITE once there is nothing left to write
ch.unsafe().forceFlush();
}
// Also check for readOps of 0 to workaround possible JDK bug which may otherwise lead
// to a spin loop
// #3
if ((readyOps & (SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_ACCEPT)) != 0 || readyOps == 0) {
unsafe.read();
}
} catch (CancelledKeyException ignored) {
unsafe.close(unsafe.voidPromise());
}
}
#1 处理OP_CONNECT
移除关注事件OP_CONNECT，否则Selector.select(..)将不断返回
前面分享客户端启动过程的文章说过了，这里会调用AbstractNioUnsafe#finishConnect，完成客户端Connect操作，可回顾《客户端启动过程解析》。#2 先处理OP_WRITE事件，能够尽早写入数据释放内存，这里涉及flush操作，后面有文章解析。#3 处理OP_READ或OP_ACCEPT事件。
对于ServerChannel，这里会调用NioMessageUnsafe#read，处理OP_ACCEPT事件，可回顾《客户端启动过程解析》。
对于SocketChannel，这里会调用NioByteUnsafe#read，进行读写操作，后面有文章解析。
异步任务
下面看一下Eventloop中如何处理异步任务。
run方法#4步骤 -> SingleThreadEventExecutor#runAllTasks
protected boolean runAllTasks(long timeoutNanos) {
// #1
fetchFromScheduledTaskQueue();
Runnable task = pollTask();
if (task == null) {
afterRunningAllTasks();
return false;
}
final long deadline = timeoutNanos > 0 ? ScheduledFutureTask.nanoTime() + timeoutNanos : 0;
long runTasks = 0;
long lastExecutionTime;
for (;;) {
// #2
safeExecute(task);
runTasks ++;
// #3
if ((runTasks & 0x3F) == 0) {
lastExecutionTime = ScheduledFutureTask.nanoTime();
if (lastExecutionTime >= deadline) {
break;
}
}
// #4
task = pollTask();
if (task == null) {
lastExecutionTime = ScheduledFutureTask.nanoTime();
break;
}
}
// #5
afterRunningAllTasks();
this.lastExecutionTime = lastExecutionTime;
return true;
}
#1 AbstractScheduledEventExecutor#scheduledTaskQueue中存放的是定时任务，
SingleThreadEventExecutor#taskQueue中存放的是待处理的任务。
fetchFromScheduledTaskQueue方法会获取已到期的定时任务，移动到SingleThreadEventExecutor#taskQueue。#2 执行获取的任务#3 每个64个任务检查一次是否超时，因为nanoTime()方法也是一个相对昂贵的操作。#4 取下一个任务，继续处理#5 预留的扩展方法。
EventLoop在4.1.44版本被优化，代码做了较大改动，删除了原来的wakeup标志，改用nextWakeupNanos，代码更清晰。
请参考 -- Clean up NioEventLoop
Netty是由事件驱动的，服务端register，bind，客户端connect等操作都是提交异步任务给EventLoop处理的
，而Accept，Read/Writ，Connect等IO事件都都需要EventLoop的处理。
大家可以结合前面分析服务端和客户端启动过程的文章，理解EventLoop是如何驱动Netty工作的。
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