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netty源码分析之揭开reactor线程的面纱(一)原创

6月前
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netty最核心的就是reactor线程,对应项目中使用广泛的NioEventLoop,那么NioEventLoop里面到底在干些什么事?netty是如何保证事件循环的高效轮询和任务的及时执行?又是如何来优雅地fix掉jdk的nio bug?带着这些疑问,本篇文章将庖丁解牛,带你逐步了解netty reactor线程的真相

reactor 线程的启动

NioEventLoop的run方法是reactor线程的主体,在第一次添加任务的时候被启动

NioEventLoop 父类 SingleThreadEventExecutor 的execute方法

外部线程在往任务队列里面添加任务的时候执行 startThread() ,netty会判断reactor线程有没有被启动,如果没有被启动,那就启动线程再往任务队列里面添加任务

SingleThreadEventExecutor 在执行doStartThread的时候,会调用内部执行器executor的execute方法,将调用NioEventLoop的run方法的过程封装成一个runnable塞到一个线程中去执行

该线程就是executor创建,对应netty的reactor线程实体。executor 默认是ThreadPerTaskExecutor

默认情况下,ThreadPerTaskExecutor 在每次执行execute 方法的时候都会通过DefaultThreadFactory创建一个FastThreadLocalThread线程,而这个线程就是netty中的reactor线程实体

ThreadPerTaskExecutor

关于为啥是 ThreadPerTaskExecutorDefaultThreadFactory的组合来new一个FastThreadLocalThread,这里就不再详细描述,通过下面几段代码来简单说明

标准的netty程序会调用到NioEventLoopGroup的父类MultithreadEventExecutorGroup的如下代码

然后通过newChild的方式传递给NioEventLoop

关于reactor线程的创建和启动就先讲这么多,我们总结一下:netty的reactor线程在添加一个任务的时候被创建,该线程实体为 FastThreadLocalThread(这玩意以后会开篇文章重点讲讲),最后线程执行主体为NioEventLooprun方法。

reactor 线程的执行

那么下面我们就重点剖析一下 NioEventLoop 的run方法

我们抽取出主干,reactor线程做的事情其实很简单,用下面一幅图就可以说明

reactor线程大概做的事情分为对三个步骤不断循环

 

1.首先轮询注册到reactor线程对应的selector上的所有的channel的IO事件

2.然后处理产生网络IO事件的channel

3.最后处理任务队列

下面对每个步骤详细说明

select操作


wakenUp 表示是否应该唤醒正在阻塞的select操作,可以看到netty在进行一次新的loop之前,都会将wakeUp 被设置成false,标志新的一轮loop的开始,具体的select操作我们也拆分开来看

1.定时任务截止事时间快到了,中断本次轮询

我们可以看到,NioEventLoop中reactor线程的select操作也是一个for循环,在for循环第一步中,如果发现当前的定时任务队列中有任务的截止事件快到了(<=0.5ms),就跳出循环。此外,跳出之前如果发现目前为止还没有进行过select操作(if (selectCnt == 0)),那么就调用一次selectNow(),该方法会立即返回,不会阻塞

这里说明一点,netty里面定时任务队列是按照延迟时间从小到大进行排序, delayNanos(currentTimeNanos)方法即取出第一个定时任务的延迟时间

关于netty的任务队列(包括普通任务,定时任务,tail task)相关的细节后面会另起一片文章,这里不过多展开

2.轮询过程中发现有任务加入,中断本次轮询

netty为了保证任务队列能够及时执行,在进行阻塞select操作的时候会判断任务队列是否为空,如果不为空,就执行一次非阻塞select操作,跳出循环

3.阻塞式select操作

执行到这一步,说明netty任务队列里面队列为空,并且所有定时任务延迟时间还未到(大于0.5ms),于是,在这里进行一次阻塞select操作,截止到第一个定时任务的截止时间

这里,我们可以问自己一个问题,如果第一个定时任务的延迟非常长,比如一个小时,那么有没有可能线程一直阻塞在select操作,当然有可能!But,只要在这段时间内,有新任务加入,该阻塞就会被释放

外部线程调用execute方法添加任务

调用wakeup方法唤醒selector阻塞

可以看到,在外部线程添加任务的时候,会调用wakeup方法来唤醒 selector.select(timeoutMillis)

阻塞select操作结束之后,netty又做了一系列的状态判断来决定是否中断本次轮询,中断本次轮询的条件有

  • 轮询到IO事件 (selectedKeys != 0

  • oldWakenUp 参数为true

  • 任务队列里面有任务(hasTasks

  • 第一个定时任务即将要被执行 (hasScheduledTasks()

  • 用户主动唤醒(wakenUp.get()

4.解决jdk的nio bug

关于该bug的描述见 http://bugs.java.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6595055)

该bug会导致Selector一直空轮询,最终导致cpu 100%,nio server不可用,严格意义上来说,netty没有解决jdk的bug,而是通过一种方式来巧妙地避开了这个bug,具体做法如下

netty 会在每次进行 selector.select(timeoutMillis) 之前记录一下开始时间currentTimeNanos,在select之后记录一下结束时间,判断select操作是否至少持续了timeoutMillis秒(这里将time - TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeoutMillis) >= currentTimeNanos改成time -  currentTimeNanos >= TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeoutMillis)或许更好理解一些),
如果持续的时间大于等于timeoutMillis,说明就是一次有效的轮询,重置selectCnt标志,否则,表明该阻塞方法并没有阻塞这么长时间,可能触发了jdk的空轮询bug,当空轮询的次数超过一个阀值的时候,默认是512,就开始重建selector

空轮询阀值相关的设置代码如下

我们仔细思考一下,netty通过这种方式来fix空轮询的bug其实会有一定的副作用:如果每次在 selector.select(timeoutMillis);操作的时候都被唤醒(在海量连接高并发的情况下是完全可能存在的),这样隔512次就进行一次rebuildSelector操作,有点浪费,不过,这个代价对于fix空轮询的bug来说,还是值得的

下面我们简单描述一下netty 通过rebuildSelector来fix空轮询bug的过程,rebuildSelector的操作其实很简单:new一个新的selector,将之前注册到老的selector上的的channel重新转移到新的selector上。我们抽取完主要代码之后的骨架如下

首先,通过openSelector()方法创建一个新的selector,然后执行一个死循环,只要执行过程中出现过一次并发修改selectionKeys异常,就重新开始转移

具体的转移步骤为

  1. 拿到有效的key

  2. 取消该key在旧的selector上的事件注册

  3. 将该key对应的channel注册到新的selector上

  4. 重新绑定channel和新的key的关系

转移完成之后,就可以将原有的selector废弃,后面所有的轮询都是在新的selector进行

最后,我们总结reactor线程select步骤做的事情:不断地轮询是否有IO事件发生,并且在轮询的过程中不断检查是否有定时任务和普通任务,保证了netty的任务队列中的任务得到有效执行,轮询过程顺带用一个计数器避开了了jdk空轮询的bug,过程清晰明了

由于篇幅原因,下面两个过程将分别放到一篇文章中去讲述,尽请期待

process selected keys

未完待续

run tasks

未完待续

最后,通过文章开头一副图,我们再次熟悉一下netty的reactor线程做的事儿

  1. 轮询IO事件

  2. 处理轮询到的事件

  3. 执行任务队列中的任务

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