• 欢迎访问 winrains 的个人网站!
  • 本网站主要从互联网整理和收集了与Java、网络安全、Linux等技术相关的文章,供学习和研究使用。如有侵权,请留言告知,谢谢!

Netty 源码解析(5):Netty 的线程池分析

Netty winrains 来源:javadoop 12个月前 (11-10) 49次浏览

Netty 中的线程池 EventLoopGroup

接下来,我们来分析 Netty 中的线程池。Netty 中的线程池比较不好理解,因为它的类比较多,而且它们之间的关系错综复杂。看下图,感受下 NioEventLoop 类和 NioEventLoopGroup 类的继承结构:
2
这张图我按照继承关系整理而来,大家仔细看一下就会发现,涉及到的类确实挺多的。本节来给大家理理清楚这部分内容。
首先,我们说的 Netty 的线程池,指的就是 NioEventLoopGroup 的实例;线程池中的单个线程,指的是右边 NioEventLoop 的实例。
回顾下我们第一节介绍的 Echo 例子,客户端和服务端的启动代码中,最开始我们总是先实例化 NioEventLoopGroup:

// EchoClient 代码最开始:
EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
// EchoServer 代码最开始:
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

下面,我们就从 NioEventLoopGroup 的源码开始进行分析。
我们打开 NioEventLoopGroup 的源码,可以看到,NioEventLoopGroup 有多个构造方法用于参数设置,最简单地,我们采用无参构造函数,或仅仅设置线程数量就可以了,其他的参数采用默认值。

比如上面的代码中,我们只在实例化 bossGroup 的时候指定了参数,代表该线程池需要一个线程。

public NioEventLoopGroup() {
    this(0);
}
public NioEventLoopGroup(int nThreads) {
    this(nThreads, (Executor) null);
}
...
// 参数最全的构造方法
public NioEventLoopGroup(int nThreads, Executor executor, EventExecutorChooserFactory chooserFactory,
                         final SelectorProvider selectorProvider,
                         final SelectStrategyFactory selectStrategyFactory,
                         final RejectedExecutionHandler rejectedExecutionHandler) {
    // 调用父类的构造方法
    super(nThreads, executor, chooserFactory, selectorProvider, selectStrategyFactory, rejectedExecutionHandler);
}

我们来稍微看一下构造方法中的各个参数:

  • nThreads:这个最简单,就是线程池中的线程数,也就是 NioEventLoop 的实例数量。
  • executor:我们知道,我们本身就是要构造一个线程池(Executor),为什么这里传一个 executor 实例呢?它其实不是给线程池用的,而是给 NioEventLoop 用的,以后再说。
  • chooserFactory:当我们提交一个任务到线程池的时候,线程池需要选择(choose)其中的一个线程来执行这个任务,这个就是用来实现选择策略的。
  • selectorProvider:这个简单,我们需要通过它来实例化 JDK 的 Selector,可以看到每个线程池都持有一个 selectorProvider 实例。
  • selectStrategyFactory:这个涉及到的是线程池中线程的工作流程,在介绍 NioEventLoop 的时候会说。
  • rejectedExecutionHandler:这个也是线程池的好朋友了,用于处理线程池中没有可用的线程来执行任务的情况。在 Netty 中稍微有一点点不一样,这个是给 NioEventLoop 实例用的,以后我们再详细介绍。

这里介绍这些参数是希望大家有个印象而已,大家发现没有,在构造 NioEventLoopGroup 实例时的好几个参数,都是用来构造 NioEventLoop 用的。
下面,我们从 NioEventLoopGroup 的无参构造方法开始,跟着源码走:

public NioEventLoopGroup() {
    this(0);
}

然后一步步走下去,到这个构造方法:

public NioEventLoopGroup(int nThreads, ThreadFactory threadFactory, final SelectorProvider selectorProvider, final SelectStrategyFactory selectStrategyFactory) {
    super(nThreads, threadFactory, selectorProvider, selectStrategyFactory, RejectedExecutionHandlers.reject());
}

大家自己要去跟一下源码,这样才知道中间设置了哪些默认值,下面这几个参数都被设置了默认值:

  • selectorProvider = SelectorProvider.provider()

    这个没什么好说的,调用了 JDK 提供的方法

  • selectStrategyFactory = DefaultSelectStrategyFactory.INSTANCE

    这个涉及到的是线程在做 select 操作和执行任务过程中的策略选择问题,在介绍 NioEventLoop 的时候会用到。

  • rejectedExecutionHandler = RejectedExecutionHandlers.reject()

    大家进去看一下 reject() 方法,也就是说,Netty 选择的默认拒绝策略是:抛出异常

跟着源码走,我们会来到父类 MultithreadEventLoopGroup 的构造方法中:

protected MultithreadEventLoopGroup(int nThreads, ThreadFactory threadFactory, Object... args) {
    super(nThreads == 0 ? DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS : nThreads, threadFactory, args);
}

这里我们发现,如果采用无参构造函数,那么到这里的时候,默认地 nThreads 会被设置为 CPU 核心数 *2。大家可以看下 DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS 的默认值,以及 static 代码块的设值逻辑。
我们继续往下走:

protected MultithreadEventExecutorGroup(int nThreads, ThreadFactory threadFactory, Object... args) {
    this(nThreads, threadFactory == null ? null : new ThreadPerTaskExecutor(threadFactory), args);
}

到这一步的时候,new ThreadPerTaskExecutor(threadFactory) 会构造一个 executor。

我们现在还不知道这个 executor 怎么用。这里我们先看下它的源码:

public final class ThreadPerTaskExecutor implements Executor {
    private final ThreadFactory threadFactory;
    public ThreadPerTaskExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
        if (threadFactory == null) {
            throw new NullPointerException("threadFactory");
        }
        this.threadFactory = threadFactory;
    }
    @Override
    public void execute(Runnable command) {
        // 为每个任务新建一个线程
        threadFactory.newThread(command).start();
    }
}

Executor 作为线程池的最顶层接口, 我们知道,它只有一个 execute(runnable) 方法,从上面我们可以看到,实现类 ThreadPerTaskExecutor 的逻辑就是每来一个任务,新建一个线程
我们先记住这个,前面也说了,它是给 NioEventLoop 用的,不是给 NioEventLoopGroup 用的。

上一步设置完了 executor,我们继续往下看:

protected MultithreadEventExecutorGroup(int nThreads, Executor executor, Object... args) {
    this(nThreads, executor, DefaultEventExecutorChooserFactory.INSTANCE, args);
}

这一步设置了 chooserFactory,用来实现从线程池中选择一个线程的选择策略。

ChooserFactory 的逻辑比较简单,我们看下 DefaultEventExecutorChooserFactory 的实现:

@Override
public EventExecutorChooser newChooser(EventExecutor[] executors) {
    if (isPowerOfTwo(executors.length)) {
        return new PowerOfTwoEventExecutorChooser(executors);
    } else {
        return new GenericEventExecutorChooser(executors);
    }
}

这里设置的策略也很简单:
1、如果线程池的线程数量是 2^n,采用下面的方式会高效一些:

@Override
public EventExecutor next() {
    return executors[idx.getAndIncrement() & executors.length - 1];
}

2、如果不是,用取模的方式:

@Override
public EventExecutor next() {
    return executors[Math.abs(idx.getAndIncrement() % executors.length)];
}

走了这么久,我们终于到了一个干实事的构造方法中了:

protected MultithreadEventExecutorGroup(int nThreads, Executor executor,
                                        EventExecutorChooserFactory chooserFactory, Object... args) {
    if (nThreads <= 0) {
        throw new IllegalArgumentException(String.format("nThreads: %d (expected: > 0)", nThreads));
    }
    // executor 如果是 null,做一次和前面一样的默认设置。
    if (executor == null) {
        executor = new ThreadPerTaskExecutor(newDefaultThreadFactory());
    }
    // 这里的 children 数组非常重要,它就是线程池中的线程数组,这么说不太严谨,但是就大概这个意思
    children = new EventExecutor[nThreads];
    // 下面这个 for 循环将实例化 children 数组中的每一个元素
    for (int i = 0; i < nThreads; i ++) {
        boolean success = false;
        try {
            // 实例化!!!!!!
            children[i] = newChild(executor, args);
            success = true;
        } catch (Exception e) {
            // TODO: Think about if this is a good exception type
            throw new IllegalStateException("failed to create a child event loop", e);
        } finally {
            // 如果有一个 child 实例化失败,那么 success 就会为 false,然后进入下面的失败处理逻辑
            if (!success) {
                // 把已经成功实例化的“线程” shutdown,shutdown 是异步操作
                for (int j = 0; j < i; j ++) {
                    children[j].shutdownGracefully();
                }
                // 等待这些线程成功 shutdown
                for (int j = 0; j < i; j ++) {
                    EventExecutor e = children[j];
                    try {
                        while (!e.isTerminated()) {
                            e.awaitTermination(Integer.MAX_VALUE, TimeUnit.SECONDS);
                        }
                    } catch (InterruptedException interrupted) {
                        // 把中断状态设置回去,交给关心的线程来处理.
                        Thread.currentThread().interrupt();
                        break;
                    }
                }
            }
        }
    }
    // ================================================
    // === 到这里,就是代表上面的实例化所有线程已经成功结束 ===
    // ================================================
    // 通过之前设置的 chooserFactory 来实例化 Chooser,把线程池数组传进去,
    //     这就不必再说了吧,实现线程选择策略
    chooser = chooserFactory.newChooser(children);
    // 设置一个 Listener 用来监听该线程池的 termination 事件
    // 下面的代码逻辑是:给池中每一个线程都设置这个 listener,当监听到所有线程都 terminate 以后,这个线程池就算真正的 terminate 了。
    final FutureListener<Object> terminationListener = new FutureListener<Object>() {
        @Override
        public void operationComplete(Future<Object> future) throws Exception {
            if (terminatedChildren.incrementAndGet() == children.length) {
                terminationFuture.setSuccess(null);
            }
        }
    };
    for (EventExecutor e: children) {
        e.terminationFuture().addListener(terminationListener);
    }
    // 设置 readonlyChildren,它是只读集合,以后用到再说
    Set<EventExecutor> childrenSet = new LinkedHashSet<EventExecutor>(children.length);
    Collections.addAll(childrenSet, children);
    readonlyChildren = Collections.unmodifiableSet(childrenSet);
}

上面的代码非常简单吧,没有什么需要特别说的,接下来,我们来看看 newChild() 这个方法,这个方法非常重要,它将创建线程池中的线程。

我上面已经用过很多次”线程”这个词了,它可不是 Thread 的意思,而是指池中的个体,后面我们会看到每个”线程”在什么时候会真正创建 Thread 实例。反正每个 NioEventLoop 实例内部都会有一个自己的 Thread 实例,所以把这两个概念混在一起也无所谓吧。

newChild(…) 方法在 NioEventLoopGroup 中覆写了,上面说的”线程”其实就是 NioEventLoop:

@Override
protected EventLoop newChild(Executor executor, Object... args) throws Exception {
    return new NioEventLoop(this, executor, (SelectorProvider) args[0],
        ((SelectStrategyFactory) args[1]).newSelectStrategy(), (RejectedExecutionHandler) args[2]);
}

它调用了 NioEventLoop 的构造方法:

NioEventLoop(NioEventLoopGroup parent, Executor executor, SelectorProvider selectorProvider,
             SelectStrategy strategy, RejectedExecutionHandler rejectedExecutionHandler) {
    // 调用父类构造器
    super(parent, executor, false, DEFAULT_MAX_PENDING_TASKS, rejectedExecutionHandler);
    if (selectorProvider == null) {
        throw new NullPointerException("selectorProvider");
    }
    if (strategy == null) {
        throw new NullPointerException("selectStrategy");
    }
    provider = selectorProvider;
    // 开启 NIO 中最重要的组件:Selector
    final SelectorTuple selectorTuple = openSelector();
    selector = selectorTuple.selector;
    unwrappedSelector = selectorTuple.unwrappedSelector;
    selectStrategy = strategy;
}

我们先粗略观察一下,然后再往下看:

  • 在 Netty 中,NioEventLoopGroup 代表线程池,NioEventLoop 就是其中的线程。
  • 线程池 NioEventLoopGroup 是池中的线程 NioEventLoop 的 parent,从上面的代码中的取名可以看出。
  • 每个 NioEventLoop 都有自己的 Selector,上面的代码也反应了这一点,这和 Tomcat 中的 NIO 模型有点区别。
  • executor、selectStrategy 和 rejectedExecutionHandler 从 NioEventLoopGroup 中一路传到了 NioEventLoop 中。

这个时候,我们来看一下 NioEventLoop 类的属性都有哪些,我们先忽略它继承自父类的属性,单单看它自己的:

private Selector selector;
private Selector unwrappedSelector;
private SelectedSelectionKeySet selectedKeys;
private final SelectorProvider provider;
private final AtomicBoolean wakenUp = new AtomicBoolean();
private final SelectStrategy selectStrategy;
private volatile int ioRatio = 50;
private int cancelledKeys;
private boolean needsToSelectAgain;

结合它的构造方法我们来总结一下:

  • provider:它由 NioEventLoopGroup 传进来,前面我们说了一个线程池有一个 selectorProvider,用于创建 Selector 实例
  • selector:虽然我们还没看创建 selector 的代码,但我们已经知道,在 Netty 中 Selector 是跟着线程池中的线程走的。也就是说,并非一个线程池一个 Selector 实例,而是线程池中每一个线程都有一个 Selector 实例。

    在无参构造过程中,我们发现,Netty 设置线程个数是 CPU 核心数的两倍,假设我们的机器 CPU 是 4 核,那么对应的就会有 8 个 Selector 实例。

  • selectStrategy:select 操作的策略,这个不急。
  • ioRatio:这是 IO 任务的执行时间比例,因为每个线程既有 IO 任务执行,也有非 IO 任务需要执行,所以该参数为了保证有足够时间是给 IO 的。这里也不需要急着去理解什么 IO 任务、什么非 IO 任务。

然后我们继续走它的构造方法,我们看到上面的构造方法调用了父类的构造器,它的父类是 SingleThreadEventLoop。

protected SingleThreadEventLoop(EventLoopGroup parent, Executor executor,
                                boolean addTaskWakesUp, int maxPendingTasks,
                                RejectedExecutionHandler rejectedExecutionHandler) {
    super(parent, executor, addTaskWakesUp, maxPendingTasks, rejectedExecutionHandler);
    // 我们可以直接忽略这个东西,以后我们也不会再介绍它
    tailTasks = newTaskQueue(maxPendingTasks);
}

SingleThreadEventLoop 这个名字很诡异有没有?然后它的构造方法又调用了父类 SingleThreadEventExecutor 的构造方法:

protected SingleThreadEventExecutor(EventExecutorGroup parent, Executor executor,
                                    boolean addTaskWakesUp, int maxPendingTasks,
                                    RejectedExecutionHandler rejectedHandler) {
    super(parent);
    this.addTaskWakesUp = addTaskWakesUp;
    this.maxPendingTasks = Math.max(16, maxPendingTasks);
    this.executor = ObjectUtil.checkNotNull(executor, "executor");
    // taskQueue,这个东西很重要,提交给 NioEventLoop 的任务都会进入到这个 taskQueue 中等待被执行
    // 这个 queue 的默认容量是 16
    taskQueue = newTaskQueue(this.maxPendingTasks);
    rejectedExecutionHandler = ObjectUtil.checkNotNull(rejectedHandler, "rejectedHandler");
}

到这里就更加诡异了,NioEventLoop 的父类是 SingleThreadEventLoop,而 SingleThreadEventLoop 的父类是 SingleThreadEventExecutor,它的名字告诉我们,它是一个 Executor,是一个线程池,而且是 Single Thread 单线程的。
也就是说,线程池 NioEventLoopGroup 中的每一个线程 NioEventLoop 也可以当做一个线程池来用,只不过它只有一个线程。这种设计虽然看上去很巧妙,不过有点反人类的样子。
上面这个构造函数比较简单:

  • 设置了 parent,也就是之前创建的线程池 NioEventLoopGroup 实例
  • executor:它是我们之前实例化的 ThreadPerTaskExecutor,我们说过,这个东西在线程池中没有用,它是给 NioEventLoop 用的,马上我们就要看到它了。提前透露一下,它用来开启 NioEventLoop 中的线程(Thread 实例)。
  • taskQueue:这算是该构造方法中新的东西,它是任务队列。我们前面说过,NioEventLoop 需要负责 IO 事件和非 IO 事件,通常它都在执行 selector 的 select 方法或者正在处理 selectedKeys,如果我们要 submit 一个任务给它,任务就会被放到 taskQueue 中,等它来轮询。该队列是线程安全的 LinkedBlockingQueue,默认容量为 16。
  • rejectedExecutionHandler:taskQueue 的默认容量是 16,所以,如果 submit 的任务堆积了到了 16,再往里面提交任务会触发 rejectedExecutionHandler 的执行策略。

    还记得默认策略吗:抛出RejectedExecutionException 异常。
    在 NioEventLoopGroup 的默认构造中,它的实现是这样的:

    private static final RejectedExecutionHandler REJECT = new RejectedExecutionHandler() {
        @Override
        public void rejected(Runnable task, SingleThreadEventExecutor executor) {
            throw new RejectedExecutionException();
        }
    };

然后,我们再回到 NioEventLoop 的构造方法:

NioEventLoop(NioEventLoopGroup parent, Executor executor, SelectorProvider selectorProvider,
             SelectStrategy strategy, RejectedExecutionHandler rejectedExecutionHandler) {
    // 我们刚刚说完了这个
    super(parent, executor, false, DEFAULT_MAX_PENDING_TASKS, rejectedExecutionHandler);
    if (selectorProvider == null) {
        throw new NullPointerException("selectorProvider");
    }
    if (strategy == null) {
        throw new NullPointerException("selectStrategy");
    }
    provider = selectorProvider;
    // 创建 selector 实例
    final SelectorTuple selectorTuple = openSelector();
    selector = selectorTuple.selector;
    unwrappedSelector = selectorTuple.unwrappedSelector;
    selectStrategy = strategy;
}

可以看到,最重要的方法其实就是 openSelector() 方法,它将创建 NIO 中最重要的一个组件 Selector。在这个方法中,Netty 也做了一些优化,这部分我们就不去分析它了。
到这里,我们的线程池 NioEventLoopGroup 创建完成了,并且实例化了池中的所有 NioEventLoop 实例。
同时,大家应该已经看到,上面并没有真正创建 NioEventLoop 中的线程(没有创建 Thread 实例)。
提前透露一下,创建线程的时机在第一个任务提交过来的时候,那么第一个任务是什么呢?是我们马上要说的 channel 的 register 操作。

作者:javadoop

来源:https://www.javadoop.com/post/netty-part-5


版权声明:文末如注明作者和来源,则表示本文系转载,版权为原作者所有 | 本文如有侵权,请及时联系,承诺在收到消息后第一时间删除 | 如转载本文,请注明原文链接。
喜欢 (0)