Netty系列（六）：Channel

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Channel

Channel是什么

Channel 是一个管道，用于连接字节缓冲区 Buf 和另一端的实体，这个实例可以是 Socket，也可以是 File，在 NIO 网络编程模型中，服务端和客户端进行 IO 数据交互(得到彼此推送的信息)的媒介就是 Channel。

Netty 对 NIO 的原生的 Channel 进行了封装和增强封装成 NioXXXChannel，相对于原生的 Channel，Netty 的 Channel 增加了如下的组件：

id 标识唯一身份信息

可能存在的 parent Channel

管道 pepiline

用于数据读写的 unsafe 内部类

关联上相伴终生的 NioEventLoop

Channel的工作流程

Channel 本身做的事情不多，主要通过其包含的成员完成大量工作，包含的主要成员如下：

EventLoop：每个 Channel 整个生命周期都绑定到一个特定的 EventLoop。

Unsafe：承担 Channel 网络相关的功能，例如真正的网络读写操作。

DefaultChannelPipeLine：每个 Channel 绑定到一个 ChannelPipeLine，Channel 在生命周期的大部分动作都通过调用 ChannelPipeLine 的方法来完成。

Channel 通过调用成员，可以完成以下工作流程：

一旦用户端连接成功，将新建一个 Channel 同该用户端进行绑定。

Channel 从 EventLoopGroup 获得一个 EventLoop，并注册到该 EventLoop，Channel 生命周期内都和该 EventLoop 在一起（注册时获得 selectionKey）。

Channel 同用户端进行网络连接、关闭和读写，生成相对应的 event（改变 selectinKey 信息），触发eventloop调度线程进行执行。

Channel的分类

Netty 中的 Channel 有很多种类型。

从 IO 类型来说，分为同步（Oio）和异步（Nio）两种类型。一般情况下我们都会使用异步的 Channel，特殊情况下需要切换成同步通讯时，我们只需要修改 Channel 的类型即可，所以在 Netty 通讯中同步和异步的切换非常灵活。

从数据传输类型来说，分为按事件消息传递（Message）以及按字节传递（Byte）两种类型。

从使用角色类型来说，分为服务器（ServerSocket）以及客户端（Socket）两种。

从使用协议类型来说，分为 TCP、UDT 和 SCTP 协议等。

Channel 的具体实现类如下：

NioSocketChannel：异步的客户端 TCP Socket 连接

NioServerSocketChannel：异步的服务器端 TCP Socket 连接

NioDatagramChannel：异步的 UDP 连接

NioSctpChannel：异步的客户端 Sctp 连接

NioSctpServerChannel：异步的 Sctp 服务器端连接

OioSocketChannel：同步的客户端 TCP Socket 连接

OioServerSocketChannel：同步的服务器端 TCP Socket 连接

OioDatagramChannel：同步的 UDP 连接

OioSctpChannel：同步的 Sctp 服务器端连接

OioSctpServerChannel：同步的客户端 TCP Socket 连接

Channel 整体结构图

一个 Channel 里面包含 ChannelPipeLine、ChannelHandler 和 ChannelHandlerContext 等组件，组件间的关系如下：

一个 Channel 绑定到一个 ChannelPipeLine 上，Channel 的大部分功能都通过调用 ChannelPipeLine 的方法来完成。

一个 ChannelPipeLine 通过 filter 的模式把一到多个 ChannelHandler 组织到一起，ChannelHandler 之间不会产生直接关联。

把一个 ChannelHandler 添加到 ChannelPipeLine 的时候，会生成一个 ChannelHandlerContext 和该 ChannelHandler 对应。ChannelHandlerContext 是一个双向链表，使前后的 ChannelHandler 产生关联。

因为 ChannelHandler 都是通过 ChannelHandlerContext 产生关联，所以事件在 Channel 中进行传播的过程，实际上是通过 ChannelHandlerContext 来完成的。

下面我们简单介绍一下 Channel 的主要组件。

ChannelPipline

ChannelPipline 可以理解为拦截流经 Channel 的入站和出站事件的 ChannelHandler实例链 ，ChannelPipline 的官方结构图如下：

可以看到，流经 ChannelPipline 的事件分为 Inbound 和 Outbound 两种类型，Inbound 事件的流向是从下至上，而 Outbound 刚好相反。Inbound 的传递方式是通过调用相应的 ChannelHandlerContext.fireIN_EVT() 方法，而 Outbound 方法的的传递方式是通过调用 ChannelHandlerContext.OUT_EVT() 方法。例如 ChannelHandlerContext.fireChannelRegistered() 调用会发送一个 ChannelRegistered 的 Inbound 事件给下一个ChannelHandlerContext，而 ChannelHandlerContext.bind 调用会发送一个 bind 的 Outbound 事件给下一个 ChannelHandlerContext。

在 ChannelPipeline 传播事件时，它会测试 ChannelPipeline 中的下一个 ChannelHandler 的类型是否和事件的运动方向相匹配。如果不匹配，ChannelPipeline 将跳过该 ChannelHandler 并前进到下一个，直到它找到和该事件所期望的方向相匹配的为止。

DefaultChannelPipeline 是 ChannelPipeline 的默认实现类，新建 Channel 时默认，部分源码如下：

在 DefaultChannelPipeline 构造器中，首先将与之关联的 Channel 保存到字段 channel 中，然后实例化两个 ChannelHandlerContext，一个是 HeadContext 实例 head，另一个是 TailContext 实例 tail。接着将 head 和 tail 互相指向，构成一个双向链表。这个链表是 Netty 实现 Pipeline 机制的关键。

ChannelHandler

ChannelHandler 是 Channel 的核心，数据编解码和所有的业务逻辑都需要通过自定义 ChannelHandler 来实现。

ChannelHandler 分为 ChannelInboundHandler 和 ChannelOutboundHandler：

ChannelInboundHandler：处理入站事件，如链路建立、链路关闭或者读完成等事件。

ChannelOutboundHandler：处理出站事件，如由用户线程或者代码发起的 IO 操作事件。

其中 ChannelOutboundHandler 用的比较少（Netty 5 后面已经有废弃的趋势），下面介绍下 ChannelInboundHandler 的生命周期：

handlerAdded：新建立的连接会按照初始化策略，把 handler 添加到该 channel 的 pipeline 里面，也就是 channel.pipeline.addLast(new LifeCycleInBoundHandler) 执行完成后的回调；

channelRegistered：当该连接分配到具体的 worker 线程后，该回调会被调用。

channelActive：channel 的准备工作已经完成，所有的 pipeline 添加完成，并分配到具体的线上上，说明该 channel 准备就绪，可以使用了。

channelRead：客户端向服务端发来数据，每次都会回调此方法，表示有数据可读；

channelReadComplete：服务端每次读完一次完整的数据之后，回调该方法，表示数据读取完毕；

channelInactive：当连接断开时，该回调会被调用，说明这时候底层的TCP连接已经被断开了。

channelUnREgistered：对应 channelRegistered，当连接关闭后，释放绑定的workder线程；

handlerRemoved：对应 handlerAdded，将 handler 从该 channel 的 pipeline 移除后的回调方法。

ChannelInboundHandler 的生命周期里面除了正常的读写流程外，还提供了定时处理和异常处理的方法：

userEventTriggered：处理心跳超时事件，在 IdleStateHandler 设置超时时间，达到了超时时间就会直接调用该方法。

exceptionCaught：处理连接出现的异常情况。

ChannelHandlerContext

ChannelHandlerContext 代表了 ChannelHandler 和 ChannelPipeline 之间的关联，每当有 ChannelHandler 添加到 ChannelPipeline 中时，都会创建 ChannelHandlerContext。ChannelHandlerContext 的主要功能是管理它所关联的 ChannelHandler 和在同一个 ChannelPipeline 中的其他 ChannelHandler 之间的交互。

我们可以通过 ChannelHandlerContext 来获取整个 Channel 的上下文属性。例如通过 ChannelHandlerContext 来访问 Channel：

通过 ChannelHandlerContext 访问 ChannelPipeline：

最开始的时候 ChannelPipeline 中含有 head 和 tail 两个 ChannelHandlerContext(同时也是 ChannelHandler)，但是这个 Pipeline并不能实现什么特殊的功能，因为我们还没有给它添加自定义的 ChannelHandler。通常来说，我们在初始化 Bootstrap，会添加我们自定义的 ChannelHandler。

如果你在 Channel 或者 ChannelPipeline 实例上调用这些方法，它们的调用会穿过整个 pipeline。而在 ChannelHandlerContext 上调用的同样的方法，仅仅从当前 ChannelHandler 开始，走到 pipeline 中下一个可以处理这个 event 的 ChannelHandler。例如调用 ctx.writeAndFlush，是从当前 handler 直接发出这个消息，而调用 channel.writeAndFlush 是从整个 pipline 最后一个 outhandler 发出消息。

ChannelFuture、ChannelPromise

ChannelFuture 的作用是用来保存 Channel 异步操作的结果。

在 Netty 中所有的 I/O 操作都是异步的。这意味着任何的 I/O 调用都将立即返回，而不保证这些被请求的 I/O 操作在调用结束的时候已经完成。取而代之地，你会得到一个返回的 ChannelFuture 实例，这个实例将给你一些关于 I/O 操作结果或者状态的信息。下面是官方关于 ChannelFuture 的状态迁移图：

ChannelFuture 有 Completed 和 Uncompleted 两种父状态，父状态下分为 isDone、isSuccess、isCancelled 和 cause 四种子状态

ChannelFuture 新创建的时候是 Uncompleted 状态，这个时候子状态为isDone、isSuccess 和 isCancelled 都是 false，cause 是一个 null 值。

当 ChannelFuture 变成 completed 状态并且结果成功，isDone 和 isSuccess 变成 true。

当 ChannelFuture 变成 completed 状态并且结果失败，isDone 变成 true，cause 为非 null 值。

当 ChannelFuture 变成 completed 状态并且结果取消，isDone 和 isCancelled 变成 true。

我们创建 ChannelFuture 一般会使用 addListener(GenericFutureListener) 为 ChannelFuture 添加监听器，监听 ChannelFuture 的结果状态变化。

ChannelPromise 是 ChannelFuture 的子类，ChannelFuture 是只读的，而 ChannelPromise 是可写的，提供了 setSuccess 和 setFailure 等方法对结果进行修改。

总结

Channel 是 Netty 的通讯载体，是对 NIO 原生 Channel 的二次封装，提供更完善的功能。

Channel 有很多类型，比较常用的有 NioSocketChannel 和 NioServerSocketChannel。

一个 Channel 在创建之后整个生命周期都绑定到一个特定的 EventLoop。

一个 Channel 对应一个 ChannelPipeLine。

一个 ChannelPipeLine 通过 filter 的模式把一到多个 ChannelHandler 组织到一起，ChannelHandler 之间不会产生直接关联。

每个 ChannelHandler 对应一个 ChannelHandlerContext，通过 ChannelHandlerContext 使前后的 ChannelHandler 产生关联。

ChannelFuture 的作用是用来保存 Channel 异步操作的结果，ChannelPromise 提供了可写的方法。

参考

《Netty in Action》

Netty Channel的生命周期

Netty核心概念(5)之Channel

netty中的Channel、ChannelPipeline