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关于netty:Netty源码解析-ChannelOutboundBuffer实现与Flush过程

jiezi

后面文章说了，ChannelHandlerContext#write 只是将数据缓存到 ChannelOutboundBuffer，等到 ChannelHandlerContext#flush 时，再将 ChannelOutboundBuffer 缓存的数据写到 Channel 中。
本文分享 Netty 中 ChannelOutboundBuffer 的实现以及 Flush 过程。
源码剖析基于 Netty 4.1

每个 Channel 的 AbstractUnsafe#outboundBuffer 都保护了一个 ChannelOutboundBuffer。
ChannelOutboundBuffer，出站数据缓冲区，负责缓存 ChannelHandlerContext#write​的数据。通过链表治理数据，链表节点为外部类 Entry。

关键字段如下

Entry tailEntry;        // 链表最初一个节点，新增的节点增加其后。Entry unflushedEntry;    // 链表中第一个未刷新的节点
Entry flushedEntry;        // 链表中第一个已刷新但数据未写入的节点
int flushed;            // 已刷新但数据未写入的节点数

ChannelHandlerContext#flush 操作前，须要先刷新一遍待处理的节点（次要是统计本次 ChannelHandlerContext#flush 操作能够写入多少个节点数据），从 unflushedEntry 开始。刷新实现后应用 flushedEntry 标记第一个待写入的节点，flushed 为待写入节点数。

后面分享 Netty 读写过程的文章说过，AbstractUnsafe#write 解决写操作时，会调用 ChannelOutboundBuffer#addMessage 将数据缓存起来

public void addMessage(Object msg, int size, ChannelPromise promise) {
    // #1
    Entry entry = Entry.newInstance(msg, size, total(msg), promise);
    if (tailEntry == null) {flushedEntry = null;} else {
        Entry tail = tailEntry;
        tail.next = entry;
    }
    tailEntry = entry;
    if (unflushedEntry == null) {unflushedEntry = entry;}

    incrementPendingOutboundBytes(entry.pendingSize, false);
}

#1 构建一个 Entry，留神，这里应用了对象池 RECYCLER，前面有文章具体解析。
次要是更新 tailEntry 和 unflushedEntry
#2 如果以后缓存数量超过阀值 WriteBufferWaterMark#high，更新 unwritable 标记为 true，并触发 pipeline.fireChannelWritabilityChanged() 办法。
因为 ChannelOutboundBuffer 链表没有大小限度，一直累积数据可能导致 OOM，
为了防止这个问题，咱们能够在 unwritable 标记为 true 时，不再持续缓存数据。
Netty 只会更新 unwritable 标记，并不阻止数据缓存，咱们能够依据须要实现该性能。示例如下

if (ctx.channel().isActive() && ctx.channel().isWritable()) {ctx.writeAndFlush(responseMessage);
} else {...}

addFlush 办法负责刷新节点（ChannelHandlerContext#flush 操作前调用该办法统计可写入节点数据数）

public void addFlush() {
    // #1
    Entry entry = unflushedEntry;
    if (entry != null) {
        // #2
        if (flushedEntry == null) {
            // there is no flushedEntry yet, so start with the entry
            flushedEntry = entry;
        }
        do {
            // #3
            flushed ++;
            if (!entry.promise.setUncancellable()) {
                // Was cancelled so make sure we free up memory and notify about the freed bytes
                int pending = entry.cancel();
                decrementPendingOutboundBytes(pending, false, true);
            }
            entry = entry.next;
            // #4
        } while (entry != null);

        // All flushed so reset unflushedEntry
        // #5
        unflushedEntry = null;
    }
}

#1 从 unflushedEntry 节点开始解决
#2 赋值 flushedEntry 为 unflushedEntry。
ChannelHandlerContext#flush 写入实现后会置空 flushedEntry
#3 减少 flushed
设置节点的 ChannelPromise 不可勾销
#4 从 unflushedEntry 开始，遍历前面节点
#5 置空 unflushedEntry，示意以后所有节点都已刷新。

nioBuffers 办法负责将以后缓存的 ByteBuf 转发为(jvm)ByteBuffer

public ByteBuffer[] nioBuffers(int maxCount, long maxBytes) {
    assert maxCount > 0;
    assert maxBytes > 0;
    long nioBufferSize = 0;
    int nioBufferCount = 0;
    // #1
    final InternalThreadLocalMap threadLocalMap = InternalThreadLocalMap.get();
    ByteBuffer[] nioBuffers = NIO_BUFFERS.get(threadLocalMap);
    Entry entry = flushedEntry;
    while (isFlushedEntry(entry) && entry.msg instanceof ByteBuf) {if (!entry.cancelled) {ByteBuf buf = (ByteBuf) entry.msg;
            final int readerIndex = buf.readerIndex();
            final int readableBytes = buf.writerIndex() - readerIndex;

            if (readableBytes > 0) {
                // #2
                if (maxBytes - readableBytes < nioBufferSize && nioBufferCount != 0) {break;}
                nioBufferSize += readableBytes;
                // #3
                int count = entry.count;
                if (count == -1) {
                    //noinspection ConstantValueVariableUse
                    entry.count = count = buf.nioBufferCount();}

                int neededSpace = min(maxCount, nioBufferCount + count);
                if (neededSpace > nioBuffers.length) {nioBuffers = expandNioBufferArray(nioBuffers, neededSpace, nioBufferCount);
                    NIO_BUFFERS.set(threadLocalMap, nioBuffers);
                }
                // #4
                if (count == 1) {
                    ByteBuffer nioBuf = entry.buf;
                    if (nioBuf == null) {
                        // cache ByteBuffer as it may need to create a new ByteBuffer instance if its a
                        // derived buffer
                        entry.buf = nioBuf = buf.internalNioBuffer(readerIndex, readableBytes);
                    }
                    nioBuffers[nioBufferCount++] = nioBuf;
                } else {...}
                if (nioBufferCount == maxCount) {break;}
            }
        }
        entry = entry.next;
    }
    this.nioBufferCount = nioBufferCount;
    this.nioBufferSize = nioBufferSize;

    return nioBuffers;
}

#1 从线程缓存中获取 nioBuffers 变量，这样能够防止重复结构 ByteBuffer 数组的性能损耗
#2 maxBytes，即本次操作最大的字节数。
maxBytes - readableBytes < nioBufferSize，示意如果本次操作后将超出 maxBytes，退出
#3
buf.nioBufferCount()，获取 ByteBuffer 数量，CompositeByteBuf 可能有多个 ByteBuffer 组成。
neededSpace，即 nioBuffers 数组中 ByteBuffer 数量，nioBuffers 长度不够时须要扩容。
#4
buf.internalNioBuffer(readerIndex, readableBytes)，应用 readerIndex, readableBytes 结构一个 ByteBuffer。
这里波及 ByteBuf 相干常识，前面有文章具体解析。

ChannelHandlerContext#flush 实现后，须要移除对应的缓存节点。

public void removeBytes(long writtenBytes) {for (;;) {
        // #1
        Object msg = current();
        if (!(msg instanceof ByteBuf)) {
            assert writtenBytes == 0;
            break;
        }

        final ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
        final int readerIndex = buf.readerIndex();
        final int readableBytes = buf.writerIndex() - readerIndex;
        // #2
        if (readableBytes <= writtenBytes) {if (writtenBytes != 0) {progress(readableBytes);
                writtenBytes -= readableBytes;
            }
            remove();} else { // readableBytes > writtenBytes
            // #3
            if (writtenBytes != 0) {buf.readerIndex(readerIndex + (int) writtenBytes);
                progress(writtenBytes);
            }
            break;
        }
    }
    clearNioBuffers();}

#1
current 办法返回 flushedEntry 节点缓存数据。
后果 null 时，退出循环
#2 以后节点的数据曾经全副写入，
progress 办法唤醒数据节点上 ChannelProgressivePromise 的监听者
writtenBytes 减去对应字节数
remove() 办法移除节点，开释 ByteBuf，flushedEntry 标记后移。
#3 以后节点的数据局部写入，它应该是本次 ChannelHandlerContext#flush 操作的最初一个节点
更新 ByteBuf 的 readerIndex，下次从这里开始读取数据。
退出

移除数据节点

public boolean remove() {
    Entry e = flushedEntry;
    if (e == null) {clearNioBuffers();
        return false;
    }
    Object msg = e.msg;

    ChannelPromise promise = e.promise;
    int size = e.pendingSize;
    // #1
    removeEntry(e);

    if (!e.cancelled) {
        // only release message, notify and decrement if it was not canceled before.
        // #2
        ReferenceCountUtil.safeRelease(msg);
        safeSuccess(promise);
        decrementPendingOutboundBytes(size, false, true);
    }

    // recycle the entry
    // #3
    e.recycle();

    return true;
}

#1
flushed 减 1
当 flushed 为 0 时，flushedEntry 赋值为 null，否则 flushedEntry 指向后一个节点。
#2 开释 ByteBuf
#3 以后节点返回对象池中，以便复用。

上面来看一下 ChannelHandlerContext#flush 操作过程。
ChannelHandlerContext#flush -> HeadContext#flush -> AbstractUnsafe#flush

public final void flush() {assertEventLoop();

    ChannelOutboundBuffer outboundBuffer = this.outboundBuffer;
    if (outboundBuffer == null) {return;}
    // #1
    outboundBuffer.addFlush();
    // #2
    flush0();}

#1 刷新 outboundBuffer 中数据节点
#2 写入操作

flush -> NioSocketChannel#doWrite

protected void doWrite(ChannelOutboundBuffer in) throws Exception {SocketChannel ch = javaChannel();
    int writeSpinCount = config().getWriteSpinCount();
    do {
        // #1
        if (in.isEmpty()) {clearOpWrite();
            return;
        }

        // #2
        int maxBytesPerGatheringWrite = ((NioSocketChannelConfig) config).getMaxBytesPerGatheringWrite();
        ByteBuffer[] nioBuffers = in.nioBuffers(1024, maxBytesPerGatheringWrite);
        int nioBufferCnt = in.nioBufferCount();

        switch (nioBufferCnt) {
            case 0:
                // #3
                writeSpinCount -= doWrite0(in);
                break;
            case 1: {
                // #4
                ByteBuffer buffer = nioBuffers[0];
                int attemptedBytes = buffer.remaining();
                final int localWrittenBytes = ch.write(buffer);
                if (localWrittenBytes <= 0) {
                    // #5
                    incompleteWrite(true);
                    return;
                }
                adjustMaxBytesPerGatheringWrite(attemptedBytes, localWrittenBytes, maxBytesPerGatheringWrite);
                // #6
                in.removeBytes(localWrittenBytes);
                --writeSpinCount;
                break;
            }
            default: {
                // #7
                ...
            }
        }
    } while (writeSpinCount > 0);

    incompleteWrite(writeSpinCount < 0);
}

#1 通过 ChannelOutboundBuffer#flushed 判断是否没有数据能够写，没有数据则革除关注事件 OP_WRITE，间接返回。
#2 获取 ChannelOutboundBuffer 中 ByteBuf 保护的(jvm)ByteBuffer，并统计 nioBufferSize，nioBufferCount。
#3 这时没有 ByteBuffer，然而可能有其余类型的数据(如 FileRegion 类型)，调用 doWrite0 持续解决，这里不再深刻
#4 只有一个 ByteBuffer，调用 SocketChannel#write 将数据写入 Channel。
#5 如果写入数据数量小于等于 0，阐明数据没有被写出去(可能是因为套接字的缓冲区满了等起因)，那么就须要关注该 Channel 上的 OP_WRITE 事件，不便下次 EventLoop 将 Channel 轮询进去的时候，能持续写数据。
#6 移除 ChannelOutboundBuffer 缓存数据节点。
#7 有多个 ByteBuffer，调用SocketChannel#write(ByteBuffer[] srcs, int offset, int length)，批量写入，与上一种状况解决相似

回顾之前文章《事件循环机制实现原理》中对 NioEventLoop#processSelectedKey 办法的解析

    ...
    if ((readyOps & SelectionKey.OP_WRITE) != 0) {ch.unsafe().forceFlush();}

这里会调用 forceFlush 办法，再次写入数据。

FlushConsolidationHandler
ChannelHandlerContext#flush 是很低廉的操作，可能触发零碎调用，但数据又不能缓存太久，应用 FlushConsolidationHandler 能够尽量达到写入提早与吞吐量之间的衡量。
FlushConsolidationHandler 中保护了 explicitFlushAfterFlushes 变量，
在 ChannelOutboundHandler#channelRead 中调用 flush，如果调用次数小于 explicitFlushAfterFlushes，会拦挡 flush 操作不执行。
在 channelReadComplete 后调用 flush，则不会拦挡 flush 操作。

本文波及 ByteBuf 组件，它是 Netty 中的内存缓冲区，前面有文章解析。

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