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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[源码基于4.1.6.Final]

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

@Overridepublic void execute(Runnable task) {    ...    boolean inEventLoop = inEventLoop();    if (inEventLoop) {        addTask(task);    } else {        startThread();        addTask(task);        ...    }    ...}

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

private void startThread() {    if (STATE_UPDATER.get(this) == ST_NOT_STARTED) {        if (STATE_UPDATER.compareAndSet(this, ST_NOT_STARTED, ST_STARTED)) {            doStartThread();        }    }}

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

private void doStartThread() {    ...    executor.execute(new Runnable() {        @Override        public void run() {            thread = Thread.currentThread();            ...                SingleThreadEventExecutor.this.run();            ...        }    }}

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

public void execute(Runnable command) {    threadFactory.newThread(command).start();}

关于为啥是 ThreadPerTaskExecutor 和 DefaultThreadFactory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

protected MultithreadEventExecutorGroup(int nThreads, Executor executor,                                        EventExecutorChooserFactory chooserFactory, Object... args) {    if (executor == null) {        executor = new ThreadPerTaskExecutor(newDefaultThreadFactory());    }}

然后通过newChild的方式传递给NioEventLoop

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

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NioEventLoop的run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

@Overrideprotected void run() {    for (;;) {        try {            switch (selectStrategy.calculateStrategy(selectNowSupplier, hasTasks())) {                case SelectStrategy.CONTINUE:                    continue;                case SelectStrategy.SELECT:                    select(wakenUp.getAndSet(false));                    if (wakenUp.get()) {                        selector.wakeup();                    }                default:                    // fallthrough            }            processSelectedKeys();            runAllTasks(...);            }        } catch (Throwable t) {            handleLoopException(t);        }        ...    }

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 action

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线程对用的selector上的所有的channel的IO事件

select(wakenUp.getAndSet(false));if (wakenUp.get()) {    selector.wakeup();}

2.处理产生网络IO事件的channel

processSelectedKeys();

3.处理任务队列

runAllTasks(...);

下面对每个步骤详细说明

select操作

select(wakenUp.getAndSet(false));if (wakenUp.get()) {      selector.wakeup();}

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

int selectCnt = 0;long currentTimeNanos = System.nanoTime();long selectDeadLineNanos = currentTimeNanos + delayNanos(currentTimeNanos);for (;;) {    long timeoutMillis = (selectDeadLineNanos - currentTimeNanos + 500000L) / 1000000L;    if (timeoutMillis <= 0) {        if (selectCnt == 0) {            selector.selectNow();            selectCnt = 1;        }        break;    }    ....}

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

protected long delayNanos(long currentTimeNanos) {    ScheduledFutureTask
     scheduledTask = peekScheduledTask();    if (scheduledTask == null) {        return SCHEDULE_PURGE_INTERVAL;    }    return scheduledTask.delayNanos(currentTimeNanos); }

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

for (;;) {    // 1.定时任务截至事时间快到了，中断本次轮询    ...    // 2.轮询过程中发现有任务加入，中断本次轮询    if (hasTasks() && wakenUp.compareAndSet(false, true)) {        selector.selectNow();        selectCnt = 1;        break;    }    ....}

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

for (;;) {    // 1.定时任务截至事时间快到了，中断本次轮询    ...    // 2.轮询过程中发现有任务加入，中断本次轮询    ...    // 3.阻塞式select操作    int selectedKeys = selector.select(timeoutMillis);    selectCnt ++;    if (selectedKeys != 0 || oldWakenUp || wakenUp.get() || hasTasks() || hasScheduledTasks()) {        break;    }    ....}

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

@Overridepublic void execute(Runnable task) {     ...    wakeup(inEventLoop); // inEventLoop为false    ...}

调用wakeup方法唤醒selector阻塞

protected void wakeup(boolean inEventLoop) {    if (!inEventLoop && wakenUp.compareAndSet(false, true)) {        selector.wakeup();    }}

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

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

long currentTimeNanos = System.nanoTime();for (;;) {    // 1.定时任务截止事时间快到了，中断本次轮询    ...    // 2.轮询过程中发现有任务加入，中断本次轮询    ...    // 3.阻塞式select操作    selector.select(timeoutMillis);    // 4.解决jdk的nio bug    long time = System.nanoTime();    if (time - TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeoutMillis) >= currentTimeNanos) {        selectCnt = 1;    } else if (SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD > 0 &&            selectCnt >= SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD) {        rebuildSelector();        selector = this.selector;        selector.selectNow();        selectCnt = 1;        break;    }    currentTimeNanos = time;     ... }

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

int selectorAutoRebuildThreshold = SystemPropertyUtil.getInt("io.netty.selectorAutoRebuildThreshold", 512);if (selectorAutoRebuildThreshold < MIN_PREMATURE_SELECTOR_RETURNS) {    selectorAutoRebuildThreshold = 0;}SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD = selectorAutoRebuildThreshold;

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

public void rebuildSelector() {    final Selector oldSelector = selector;    final Selector newSelector;    newSelector = openSelector();    int nChannels = 0;     try {        for (;;) {                for (SelectionKey key: oldSelector.keys()) {                    Object a = key.attachment();                     if (!key.isValid() || key.channel().keyFor(newSelector) != null) {                         continue;                     }                     int interestOps = key.interestOps();                     key.cancel();                     SelectionKey newKey = key.channel().register(newSelector, interestOps, a);                     if (a instanceof AbstractNioChannel) {                         ((AbstractNioChannel) a).selectionKey = newKey;                      }                     nChannels ++;                }                break;        }    } catch (ConcurrentModificationException e) {        // Probably due to concurrent modification of the key set.        continue;    }    selector = newSelector;    oldSelector.close();}

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

 

reactor action

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

如果你觉得看的不过瘾，想系统学习Netty原理，那么你一定不要错过我的Netty源码分析系列视频：

作者：简书闪电侠 链接：https://www.jianshu.com/p/0d0eece6d467 來源：简书 简书著作权归作者所有，任何形式的转载都请联系作者获得授权并注明出处。