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learn.lianglianglee.com/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/05 服务编排层：Pipeline 如何协调各类 Handler ？.md.html
周伟 48163c6373 y
2022-05-11 18:52:13 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>05 服务编排层：Pipeline 如何协调各类 Handler ？</h1>
<p>通过上节课的学习，我们知道 EventLoop 可以说是 Netty 的调度中心，负责监听多种事件类型：I/O 事件、信号事件、定时事件等，然而实际的业务处理逻辑则是由 ChannelPipeline 中所定义的 ChannelHandler 完成的，ChannelPipeline 和 ChannelHandler 也是我们在平时应用开发的过程中打交道最多的组件。Netty 服务编排层的核心组件 ChannelPipeline 和 ChannelHandler 为用户提供了 I/O 事件的全部控制权。今天这节课我们便一起深入学习 Netty 是如何利用这两个组件，将数据玩转起来。</p>
<p>在学习这节课之前，我先抛出几个问题。</p>
<ul>
<li>ChannelPipeline 与 ChannelHandler 的关系是什么？它们之间是如何协同工作的？</li>
<li>ChannelHandler 的类型有哪些？有什么区别？</li>
<li>Netty 中 I/O 事件是如何传播的？</li>
</ul>
<p>希望你在学习完本课时后，可以找到问题的答案。</p>
<h3>ChannelPipeline 概述</h3>
<p>Pipeline 的字面意思是管道、流水线。它在 Netty 中起到的作用，和一个工厂的流水线类似。原始的网络字节流经过 Pipeline ，被一步步加工包装，最后得到加工后的成品。经过前面课程核心组件的初步学习，我们已经对 ChannelPipeline 有了初步的印象：它是 Netty 的核心处理链，用以实现网络事件的动态编排和有序传播。</p>
<p>今天我们将从以下几个方面一起探讨 ChannelPipeline 的实现原理：</p>
<ul>
<li>ChannelPipeline 内部结构；</li>
<li>ChannelHandler 接口设计；</li>
<li>ChannelPipeline 事件传播机制；</li>
<li>ChannelPipeline 异常传播机制。</li>
</ul>
<h3>ChannelPipeline 内部结构</h3>
<p>首先我们要理清楚 ChannelPipeline 的内部结构是什么样子，这样才能理解 ChannelPipeline 的处理流程。ChannelPipeline 作为 Netty 的核心编排组件，负责调度各种类型的 ChannelHandler，实际数据的加工处理操作则是由 ChannelHandler 完成的。</p>
<p>ChannelPipeline 可以看作是 ChannelHandler 的容器载体，它是由一组 ChannelHandler 实例组成的，内部通过双向链表将不同的 ChannelHandler 链接在一起，如下图所示。当有 I/O 读写事件触发时，ChannelPipeline 会依次调用 ChannelHandler 列表对 Channel 的数据进行拦截和处理。</p>
<p><img src="assets/CgqCHl-dLiiAcORMAAYJnrq5ceE455.png" alt="image.png" /></p>
<p>由上图可知，每个 Channel 会绑定一个 ChannelPipeline，每一个 ChannelPipeline 都包含多个 ChannelHandlerContext，所有 ChannelHandlerContext 之间组成了双向链表。又因为每个 ChannelHandler 都对应一个 ChannelHandlerContext，所以实际上 ChannelPipeline 维护的是它与 ChannelHandlerContext 的关系。那么你可能会有疑问，为什么这里会多一层 ChannelHandlerContext 的封装呢？</p>
<p>其实这是一种比较常用的编程思想。ChannelHandlerContext 用于保存 ChannelHandler 上下文；ChannelHandlerContext 则包含了 ChannelHandler 生命周期的所有事件，如 connect、bind、read、flush、write、close 等。可以试想一下，如果没有 ChannelHandlerContext 的这层封装，那么我们在做 ChannelHandler 之间传递的时候，前置后置的通用逻辑就要在每个 ChannelHandler 里都实现一份。这样虽然能解决问题，但是代码结构的耦合，会非常不优雅。</p>
<p>根据网络数据的流向，ChannelPipeline 分为入站 ChannelInboundHandler 和出站 ChannelOutboundHandler 两种处理器。在客户端与服务端通信的过程中，数据从客户端发向服务端的过程叫出站，反之称为入站。数据先由一系列 InboundHandler 处理后入站，然后再由相反方向的 OutboundHandler 处理完成后出站，如下图所示。我们经常使用的解码器 Decoder 就是入站操作，编码器 Encoder 就是出站操作。服务端接收到客户端数据需要先经过 Decoder 入站处理后，再通过 Encoder 出站通知客户端。</p>
<p><img src="assets/Ciqc1F-dLm2APCjcAAPRZBy9s5c466.png" alt="image.png" /></p>
<p>接下来我们详细分析下 ChannelPipeline 双向链表的构造，ChannelPipeline 的双向链表分别维护了 HeadContext 和 TailContext 的头尾节点。我们自定义的 ChannelHandler 会插入到 Head 和 Tail 之间，这两个节点在 Netty 中已经默认实现了，它们在 ChannelPipeline 中起到了至关重要的作用。首先我们看下 HeadContext 和 TailContext 的继承关系，如下图所示。</p>
<p><img src="assets/Ciqc1F-aW9qADWwSAAndrBdsXyc104.png" alt="image.png" /></p>
<p>HeadContext 既是 Inbound 处理器，也是 Outbound 处理器。它分别实现了 ChannelInboundHandler 和 ChannelOutboundHandler。网络数据写入操作的入口就是由 HeadContext 节点完成的。HeadContext 作为 Pipeline 的头结点负责读取数据并开始传递 InBound 事件，当数据处理完成后，数据会反方向经过 Outbound 处理器，最终传递到 HeadContext，所以 HeadContext 又是处理 Outbound 事件的最后一站。此外 HeadContext 在传递事件之前，还会执行一些前置操作。</p>
<p>TailContext 只实现了 ChannelInboundHandler 接口。它会在 ChannelInboundHandler 调用链路的最后一步执行，主要用于终止 Inbound 事件传播，例如释放 Message 数据资源等。TailContext 节点作为 OutBound 事件传播的第一站，仅仅是将 OutBound 事件传递给上一个节点。</p>
<p>从整个 ChannelPipeline 调用链路来看，如果由 Channel 直接触发事件传播，那么调用链路将贯穿整个 ChannelPipeline。然而也可以在其中某一个 ChannelHandlerContext 触发同样的方法，这样只会从当前的 ChannelHandler 开始执行事件传播，该过程不会从头贯穿到尾，在一定场景下，可以提高程序性能。</p>
<h3>ChannelHandler 接口设计</h3>
<p>在学习 ChannelPipeline 事件传播机制之前，我们需要了解 I/O 事件的生命周期。整个 ChannelHandler 是围绕 I/O 事件的生命周期所设计的，例如建立连接、读数据、写数据、连接销毁等。ChannelHandler 有两个重要的<strong>子接口</strong>：<strong>ChannelInboundHandler</strong>和<strong>ChannelOutboundHandler</strong>，分别拦截<strong>入站和出站的各种 I/O 事件</strong>。</p>
<p><strong>1. ChannelInboundHandler 的事件回调方法与触发时机。</strong></p>
<table>
<thead>
<tr>
<th>事件回调方法</th>
<th>触发时机</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>channelRegistered</td>
<td>Channel 被注册到 EventLoop</td>
</tr>
<tr>
<td>channelUnregistered</td>
<td>Channel 从 EventLoop 中取消注册</td>
</tr>
<tr>
<td>channelActive</td>
<td>Channel 处于就绪状态，可以被读写</td>
</tr>
<tr>
<td>channelInactive</td>
<td>Channel 处于非就绪状态Channel 可以从远端读取到数据</td>
</tr>
<tr>
<td>channelRead</td>
<td>Channel 可以从远端读取到数据</td>
</tr>
<tr>
<td>channelReadComplete</td>
<td>Channel 读取数据完成</td>
</tr>
<tr>
<td>userEventTriggered</td>
<td>用户事件触发时</td>
</tr>
<tr>
<td>channelWritabilityChanged</td>
<td>Channel 的写状态发生变化</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p><strong>2. ChannelOutboundHandler 的事件回调方法与触发时机。</strong></p>
<p>ChannelOutboundHandler 的事件回调方法非常清晰，直接通过 ChannelOutboundHandler 的接口列表可以看到每种操作所对应的回调方法，如下图所示。这里每个回调方法都是在相应操作执行之前触发，在此就不多做赘述了。此外 ChannelOutboundHandler 中绝大部分接口都包含ChannelPromise 参数，以便于在操作完成时能够及时获得通知。</p>
<p><img src="assets/CgqCHl-aW-2AJmXxAAVxQEbkD5w806.png" alt="image" /></p>
<h3>事件传播机制</h3>
<p>在上文中我们介绍了 ChannelPipeline 可分为入站 ChannelInboundHandler 和出站 ChannelOutboundHandler 两种处理器，与此对应传输的事件类型可以分为<strong>Inbound 事件</strong>和<strong>Outbound 事件</strong>。</p>
<p>我们通过一个代码示例，一起体验下 ChannelPipeline 的事件传播机制。</p>
<pre><code>serverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer&lt;SocketChannel&gt;() {
@Override
public void initChannel(SocketChannel ch) {
ch.pipeline()
.addLast(new SampleInBoundHandler(&quot;SampleInBoundHandlerA&quot;, false))
.addLast(new SampleInBoundHandler(&quot;SampleInBoundHandlerB&quot;, false))
.addLast(new SampleInBoundHandler(&quot;SampleInBoundHandlerC&quot;, true));
ch.pipeline()
.addLast(new SampleOutBoundHandler(&quot;SampleOutBoundHandlerA&quot;))
.addLast(new SampleOutBoundHandler(&quot;SampleOutBoundHandlerB&quot;))
.addLast(new SampleOutBoundHandler(&quot;SampleOutBoundHandlerC&quot;));
}
}
public class SampleInBoundHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
private final String name;
private final boolean flush;
public SampleInBoundHandler(String name, boolean flush) {
this.name = name;
this.flush = flush;
}
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
System.out.println(&quot;InBoundHandler: &quot; + name);
if (flush) {
ctx.channel().writeAndFlush(msg);
} else {
super.channelRead(ctx, msg);
}
}
}
public class SampleOutBoundHandler extends ChannelOutboundHandlerAdapter {
private final String name;
public SampleOutBoundHandler(String name) {
this.name = name;
}
@Override
public void write(ChannelHandlerContext ctx, Object msg, ChannelPromise promise) throws Exception {
System.out.println(&quot;OutBoundHandler: &quot; + name);
super.write(ctx, msg, promise);
}
}
</code></pre>
<p>通过 Pipeline 的 addLast 方法分别添加了三个 InboundHandler 和 OutboundHandler，添加顺序都是 A -&gt; B -&gt; C，下图可以表示初始化后 ChannelPipeline 的内部结构。</p>
<p><img src="assets/CgqCHl-dLuOAPXJFAAJ3Qmmho38501.png" alt="image.png" /></p>
<p>当客户端向服务端发送请求时，会触发 SampleInBoundHandler 调用链的 channelRead 事件。经过 SampleInBoundHandler 调用链处理完成后，在 SampleInBoundHandlerC 中会调用 writeAndFlush 方法向客户端写回数据，此时会触发 SampleOutBoundHandler 调用链的 write 事件。最后我们看下代码示例的控制台输出：</p>
<p><img src="assets/CgqCHl-aW_yAKkKnAAWUaqNNpiI795.png" alt="image" /></p>
<p>由此可见，Inbound 事件和 Outbound 事件的传播方向是不一样的。Inbound 事件的传播方向为 Head -&gt; Tail，而 Outbound 事件传播方向是 Tail -&gt; Head，两者恰恰相反。在 Netty 应用编程中一定要理清楚事件传播的顺序。推荐你在系统设计时模拟客户端和服务端的场景画出 ChannelPipeline 的内部结构图，以避免搞混调用关系。</p>
<h3>异常传播机制</h3>
<p>ChannelPipeline 事件传播的实现采用了经典的责任链模式，调用链路环环相扣。那么如果有一个节点处理逻辑异常会出现什么现象呢？我们通过修改 SampleInBoundHandler 的实现来模拟业务逻辑异常：</p>
<pre><code>public class SampleInBoundHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
private final String name;
private final boolean flush;
public SampleInBoundHandler(String name, boolean flush) {
this.name = name;
this.flush = flush;
}
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
System.out.println(&quot;InBoundHandler: &quot; + name);
if (flush) {
ctx.channel().writeAndFlush(msg);
} else {
throw new RuntimeException(&quot;InBoundHandler: &quot; + name);
}
}
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
System.out.println(&quot;InBoundHandlerException: &quot; + name);
ctx.fireExceptionCaught(cause);
}
}
</code></pre>
<p>在 channelRead 事件处理中，第一个 A 节点就会抛出 RuntimeException。同时我们重写了 ChannelInboundHandlerAdapter 中的 exceptionCaught 方法，只是在开头加上了控制台输出，方便观察异常传播的行为。下面看一下代码运行的控制台输出结果：</p>
<p><img src="assets/Ciqc1F-aXAiAV52JABzDltoTrWE345.png" alt="image" /></p>
<p>由输出结果可以看出 ctx.fireExceptionCaugh 会将异常按顺序从 Head 节点传播到 Tail 节点。如果用户没有对异常进行拦截处理，最后将由 Tail 节点统一处理，在 TailContext 源码中可以找到具体实现：</p>
<pre><code>protected void onUnhandledInboundException(Throwable cause) {
try {
logger.warn(
&quot;An exceptionCaught() event was fired, and it reached at the tail of the pipeline. &quot; +
&quot;It usually means the last handler in the pipeline did not handle the exception.&quot;,
cause);
} finally {
ReferenceCountUtil.release(cause);
}
}
</code></pre>
<p>虽然 Netty 中 TailContext 提供了兜底的异常处理逻辑，但是在很多场景下，并不能满足我们的需求。假如你需要拦截指定的异常类型，并做出相应的异常处理，应该如何实现呢？我们接着往下看。</p>
<h3>异常处理的最佳实践</h3>
<p>在 Netty 应用开发的过程中，良好的异常处理机制会让排查问题的过程事半功倍。所以推荐用户对异常进行统一拦截，然后根据实际业务场景实现更加完善的异常处理机制。通过异常传播机制的学习，我们应该可以想到最好的方法是在 ChannelPipeline 自定义处理器的末端添加统一的异常处理器，此时 ChannelPipeline 的内部结构如下图所示。</p>
<p><img src="assets/Ciqc1F-dLz2AMj8yAALx2oNWK94344.png" alt="image.png" /></p>
<p>用户自定义的异常处理器代码示例如下：</p>
<pre><code>public class ExceptionHandler extends ChannelDuplexHandler {
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
if (cause instanceof RuntimeException) {
System.out.println(&quot;Handle Business Exception Success.&quot;);
}
}
}
</code></pre>
<p>加入统一的异常处理器后，可以看到异常已经被优雅地拦截并处理掉了。这也是 Netty 推荐的最佳异常处理实践。</p>
<p><img src="assets/CgqCHl-aXBCAS8QAAAWXhTFjQOE519.png" alt="image" /></p>
<h3>总结</h3>
<p>本节课我们深入分析了 Pipeline 的设计原理与事件传播机制。那么课程最初我提出的几个问题你是否已经都找到答案了？我来做个简单的总结：</p>
<ul>
<li>ChannelPipeline 是双向链表结构，包含 ChannelInboundHandler 和 ChannelOutboundHandler 两种处理器。</li>
<li>ChannelHandlerContext 是对 ChannelHandler 的封装，每个 ChannelHandler 都对应一个 ChannelHandlerContext，实际上 ChannelPipeline 维护的是与 ChannelHandlerContext 的关系。</li>
<li>Inbound 事件和 Outbound 事件的传播方向相反，Inbound 事件的传播方向为 Head -&gt; Tail，而 Outbound 事件传播方向是 Tail -&gt; Head。</li>
<li>异常事件的处理顺序与 ChannelHandler 的添加顺序相同，会依次向后传播，与 Inbound 事件和 Outbound 事件无关。</li>
</ul>
<p>ChannelPipeline 精妙的设计思想值得我们学以致用，建议有兴趣的同学可以深入学习下这个组件的核心源码。在未来源码篇的课程中我们将会继续深入了解 ChannelPipeline 这个组件。</p>
</div>
</div>
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</div>
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d.setTime(d.getTime() + (180 * 24 * 60 * 60 * 1000));
var expires = "expires=" + d.toGMTString();
document.cookie = cname + "=" + cvalue + "; " + expires + ";path = /";
}
function getCookie(cname) {
var name = cname + "=";
var ca = document.cookie.split(';');
for (var i = 0; i < ca.length; i++) {
var c = ca[i].trim();
if (c.indexOf(name) === 0) return c.substring(name.length, c.length);
}
return "";
}
</script>
</html>
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