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4. netty系列之:Bootstrap,ServerBootstrap和netty中的实现

简介

虽然netty很强大，但是使用netty来构建程序却是很简单，只需要掌握特定的netty套路就可以写出强大的netty程序。每个netty程序都需要一个Bootstrap，什么是Bootstrap呢？Bootstrap翻译成中文来说就是鞋拔子，在计算机世界中，Bootstrap指的是引导程序，通过Bootstrap可以轻松构建和启动程序。

在netty中有两种Bootstrap：客户端的Bootstrap和服务器端的ServerBootstrap。两者有什么不同呢？netty中这两种Bootstrap到底是怎么工作的呢？ 一起来看看吧。

Bootstrap和ServerBootstrap的联系

首先看一下Bootstrap和ServerBootstrap这两个类的继承关系，如下图所示：

可以看到Bootstrap和ServerBootstrap都是继承自AbstractBootstrap,而AbstractBootstrap则是实现了Cloneable接口。

AbstractBootstrap​

有细心的同学可能会问了，上面图中还有一个Channel,channel跟AbstractBootstrap有什么关系呢？

我们来看下AbstractBootstrap的定义:

public abstract class AbstractBootstrap<B extends AbstractBootstrap<B, C>, C extends Channel> implements Cloneable

AbstractBootstrap接受两个泛型参数，一个是B继承自AbstractBootstrap,一个是C继承自Channel。

我们先来观察一下一个简单的Bootstrap启动需要哪些元素：

EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(bossGroup, workerGroup)
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            ch.pipeline().addLast(new FirstServerHandler());
                        }
                    })
                    .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128)
                    .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true);

            // 绑定端口并开始接收连接
            ChannelFuture f = b.bind(port).sync();
            // 等待server socket关闭
            f.channel().closeFuture().sync();

上面的代码是一个最基本也是最标准的netty服务器端的启动代码。可以看到和Bootstrap相关的元素有这样几个：

  1. EventLoopGroup，主要用来进行channel的注册和遍历。
  2. channel或者ChannelFactory，用来指定Bootstrap中使用的channel的类型。
  3. ChannelHandler,用来指定具体channel中消息的处理逻辑。
  4. ChannelOptions,表示使用的channel对应的属性信息。
  5. SocketAddress,bootstrap启动是绑定的ip和端口信息。

目前看来和Bootstrap相关的就是这5个值,而AbstractBootstrap的构造函数中也就定义了这些属性的赋值：

    AbstractBootstrap(AbstractBootstrap<B, C> bootstrap) {
        group = bootstrap.group;
        channelFactory = bootstrap.channelFactory;
        handler = bootstrap.handler;
        localAddress = bootstrap.localAddress;
        synchronized (bootstrap.options) {
            options.putAll(bootstrap.options);
        }
        attrs.putAll(bootstrap.attrs);
    }

示例代码中的group，channel,option等方法实际上都是向这些属性中赋值，并没有做太多的业务操作。

注意，AbstractBootstrap中只存在一个group属性，所以两个group属性是在ServerBootstrap中添加的扩展属性。

在Bootstrap中，channel其实是有两种赋值方法，一种是直接传入channel，另外一种方法是传入ChannelFactory。两者的本质都是一样的，我们看下channel是怎么转换成为ChannelFactory的：

    public B channel(Class<? extends C> channelClass) {
        return channelFactory(new ReflectiveChannelFactory<C>(
                ObjectUtil.checkNotNull(channelClass, "channelClass")
        ));
    }

channelClass被封装在一个ReflectiveChannelFactory中，最终还是设置的channelFactory属性。

AbstractBootstrap中真正启动服务的方法就是bind,bind方法传入的是一个SocketAddress,返回的是ChannelFuture,很明显，bind方法中会创建一个channel。我们来看一下bind方法的具体实现：

   private ChannelFuture doBind(final SocketAddress localAddress) {
        final ChannelFuture regFuture = initAndRegister();
        final Channel channel = regFuture.channel();
        if (regFuture.cause() != null) {
            return regFuture;
        }

        if (regFuture.isDone()) {
            // At this point we know that the registration was complete and successful.
            ChannelPromise promise = channel.newPromise();
            doBind0(regFuture, channel, localAddress, promise);
            return promise;
        } else {
            // Registration future is almost always fulfilled already, but just in case it's not.
            final PendingRegistrationPromise promise = new PendingRegistrationPromise(channel);
            regFuture.addListener(new ChannelFutureListener() {
                @Override
                public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {
                    Throwable cause = future.cause();
                    if (cause != null) {
                        // Registration on the EventLoop failed so fail the ChannelPromise directly to not cause an
                        // IllegalStateException once we try to access the EventLoop of the Channel.
                        promise.setFailure(cause);
                    } else {
                        // Registration was successful, so set the correct executor to use.
                        // See https://github.com/netty/netty/issues/2586
                        promise.registered();

                        doBind0(regFuture, channel, localAddress, promise);
                    }
                }
            });
            return promise;
        }
    }

在doBind方法中，首先调用initAndRegister方法去初始化和注册一个channel。

channel是通过channelFactory的newChannel方法来创建的：

channel = channelFactory.newChannel();

接着调用初始化channel的init方法。这个init方法在AbstractBootstrap中并没有实现，需要在具体的实现类中实现。

有了channel之后，通过调用EventLoopGroup的register方法将channel注册到 EventLoop中，并将注册生成的ChannelFuture返回。

然后通过判断返回的regFuture的状态，来判断channel是否注册成功，如果注册成功,最后调用doBind0方法,完成最后的绑定工作：

    private static void doBind0(
            final ChannelFuture regFuture, final Channel channel,
            final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise) {

        // This method is invoked before channelRegistered() is triggered.  Give user handlers a chance to set up
        // the pipeline in its channelRegistered() implementation.
        channel.eventLoop().execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                if (regFuture.isSuccess()) {
                    channel.bind(localAddress, promise).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE_ON_FAILURE);
                } else {
                    promise.setFailure(regFuture.cause());
                }
            }
        });
    }

因为eventLoop本身是一个Executor，所以可以执行一个具体的命令的，在它的execute方法中，传入了一个新的Runnable对象，在其中的run方法中执行了channel.bind方法，将channel跟SocketAddress进行绑定。

到此，Bootstrap的bind方法执行完毕。

我们再来回顾一下bind方法的基本流程：

  1. 通过ChannelFactory创建一个channel。
  2. 将channel注册到Bootstrap中的EventLoopGroup中。
  3. 如果channel注册成功，则调用EventLoopGroup的execute方法，将channel和SocketAddress进行绑定。

是不是很清晰？

讲完AbstractBootstrap，接下来，我们再继续探讨一下Bootstrap和ServerBootstrap。

Bootstrap和ServerBootstrap​

首先来看下Bootstrap，Bootstrap主要使用在客户端使用,或者UDP协议中。

先来看下Bootstrap的定义：

public class Bootstrap extends AbstractBootstrap<Bootstrap, Channel>

Bootstrap和AbstractBootstrap相比，主要多了一个属性和一个方法。

多的一个属性是resolver:

private static final AddressResolverGroup<?> DEFAULT_RESOLVER = DefaultAddressResolverGroup.INSTANCE;

private volatile AddressResolverGroup<SocketAddress> resolver =
            (AddressResolverGroup<SocketAddress>) DEFAULT_RESOLVER;

AddressResolverGroup里面有一个IdentityHashMap,它的key是EventExecutor，value是AddressResolver:

    private final Map<EventExecutor, AddressResolver<T>> resolvers =
            new IdentityHashMap<EventExecutor, AddressResolver<T>>();

实际上AddressResolverGroup维护了一个EventExecutor和AddressResolver的映射关系。

AddressResolver主要用来解析远程的SocketAddress的地址。因为远程的SocketAddress可能并不是一个IP地址，所以需要使用AddressResolver解析一下。

这里的EventExecutor实际上就是channel注册的EventLoop。

另外Bootstrap作为一个客户端的应用，它需要连接到服务器端，所以Bootstrap类中多了一个connect到远程SocketAddress的方法：

    public ChannelFuture connect(SocketAddress remoteAddress) {
        ObjectUtil.checkNotNull(remoteAddress, "remoteAddress");
        validate();
        return doResolveAndConnect(remoteAddress, config.localAddress());
    }

connect方法和bind方法的逻辑类似，只是多了一个resolver的resolve过程。

解析完毕之后，会调用doConnect方法，进行真正的连接：

    private static void doConnect(
            final SocketAddress remoteAddress, final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise connectPromise) {

        // This method is invoked before channelRegistered() is triggered.  Give user handlers a chance to set up
        // the pipeline in its channelRegistered() implementation.
        final Channel channel = connectPromise.channel();
        channel.eventLoop().execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                if (localAddress == null) {
                    channel.connect(remoteAddress, connectPromise);
                } else {
                    channel.connect(remoteAddress, localAddress, connectPromise);
                }
                connectPromise.addListener(ChannelFutureListener.CLOSE_ON_FAILURE);
            }
        });
    }

可以看到doConnect方法和doBind方法很类似，都是通过当前channel注册的eventLoop来执行channel的connect或许bind方法。

再看一下ServerBootstrap的定义：

public class ServerBootstrap extends AbstractBootstrap<ServerBootstrap, ServerChannel>

因为是ServerBootstrap用在服务器端，所以不选Bootstrap那样去解析SocketAddress，所以没有resolver属性。

但是对应服务器端来说，可以使用parent EventLoopGroup来接受连接，然后使用child EventLoopGroup来执行具体的命令。所以在ServerBootstrap中多了一个childGroup和对应的childHandler:

    private volatile EventLoopGroup childGroup;
    private volatile ChannelHandler childHandler;

因为ServerBootstrap有两个group，所以ServerBootstrap包含一个含有两个EventLoopGroup的group方法：

    public ServerBootstrap group(EventLoopGroup parentGroup, EventLoopGroup childGroup)

还记得bind方法需要实现的init方法吗？ 我们看下ServerBootstrap中init的具体逻辑：

   void init(Channel channel) {
        setChannelOptions(channel, newOptionsArray(), logger);
        setAttributes(channel, newAttributesArray());

        ChannelPipeline p = channel.pipeline();

        final EventLoopGroup currentChildGroup = childGroup;
        final ChannelHandler currentChildHandler = childHandler;
        final Entry<ChannelOption<?>, Object>[] currentChildOptions = newOptionsArray(childOptions);
        final Entry<AttributeKey<?>, Object>[] currentChildAttrs = newAttributesArray(childAttrs);

        p.addLast(new ChannelInitializer<Channel>() {
            @Override
            public void initChannel(final Channel ch) {
                final ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
                ChannelHandler handler = config.handler();
                if (handler != null) {
                    pipeline.addLast(handler);
                }

                ch.eventLoop().execute(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        pipeline.addLast(new ServerBootstrapAcceptor(
                                ch, currentChildGroup, currentChildHandler, currentChildOptions, currentChildAttrs));
                    }
                });
            }
        });
    }

首先是设置channel的一些属性，然后通过channel.pipeline方法获得channel对应的pipeline，然后向pipeline中添加channelHandler。

这些都是常规操作，我们要注意的是最后通过channel注册到的eventLoop，将ServerBootstrapAcceptor加入到了pipeline中。

很明显ServerBootstrapAcceptor本身应该是一个ChannelHandler,它的主要作用就是用来接受连接：

    private static class ServerBootstrapAcceptor extends ChannelInboundHandlerAdapter

我们来看一下它的channelRead方法：

        public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
            final Channel child = (Channel) msg;

            child.pipeline().addLast(childHandler);

            setChannelOptions(child, childOptions, logger);
            setAttributes(child, childAttrs);

            try {
                childGroup.register(child).addListener(new ChannelFutureListener() {
                    @Override
                    public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {
                        if (!future.isSuccess()) {
                            forceClose(child, future.cause());
                        }
                    }
                });
            } catch (Throwable t) {
                forceClose(child, t);
            }
        }

因为server端接受的是客户端channel的connect操作，所以对应的channelRead中的对象实际上是一个channel。这里把这个接受到的channel称作child。通过给这个child channel添加childHandler,childOptions和childAttrs，一个能够处理child channel请求的逻辑就形成了。

最后将child channel注册到childGroup中，至此整个ServerBootstrapAcceptor接受channel的任务就完成了。

这里最妙的部分就是将客户端的channel通过server端的channel传到server端，然后在server端为child channel配备handler进行具体的业务处理，非常巧妙。

总结

通过具体分析AbstractBootstrap，Bootstrap和ServerBootstrap的结构和实现逻辑，相信大家对netty服务的启动流程有了大概的认识，后面我们会详细讲解netty中的channel和非常重要的eventLoop。


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