Netty源码分析二NioEventLoop 剖析

剖析方向

NioEventLoop是一个重量级的类，其中涉及到的方法都有很复杂的继承关系，调用链，要想把源码全部过一遍工作量实在是太大了，于是小编就基于下面的这些常见的问题来对NioEventLoop的源码来进行剖析

1.Seletor何时创建

1.1Selector为什么有两个Selector成员

2.nio线程在何时启动

3.每次循环时什么时候会进入SelecStrategy.SELECT分支

3.1何时会select阻塞，会阻塞多久

4.nio空轮询bug在哪里体现，Netty如何解决的？

5.ioRatio控制什么，设置为100有什么作用

6.Netty中对selectKeys优化是怎么回事

我们需要时刻记住下面这两点：

NioEventLoop的重要组成：Selector、线程、任务队列

NioEventLoop 线程不仅要处理 IO 事件，还要处理 Task（包括普通任务和定时任务）

具体剖析NioEventLoop

NioEventLoop的重要组成

首先我们先来看一下NioEventLoop的几个重要的成员变量

Selector:

线程：0

线程不在NioEventLoop本类里面，在其祖父类SingleThreadEventExecutor里面

下面的Executor就是线程的执行器

任务队列：

在其曾祖父类AbstractScheduledEventExecutor里面有处理定时任务的任务队列

Selector何时创建

快捷键Ctrl+F12可以用来查看当前类的方法和成员变量，我们找Selector的构造方法

我们来研究一下上面标注的这行代码：

先来看一下SelectorTuple是什么：

我们可以看到SelectorTuple是一个内部类，里面封装了Selector

然后再去看一下真正创建Selector的方法openSelector()

我们发现与NIO中的Selector创建一样也是通过SelectorProvider这个类创建的，SelectorProvider是一个抽象工厂类，Selector的创建过程体现了工厂设计模式。

那么看完源码之后就可以回答上面的问题了：Selector是何时创建的呢？在构造方法调用的时候创建。

Selector为什么有两个Selector成员

我们读源码可以看到在NioEventLoop这个类中有两个Selector成员

我们来看openSelector()这个方法

我们发现调用工厂类获得的Selector实例赋值给了unwrappedSelector，此处的Selector实例是与NIO中的Selector实例是同一种，因为它们都是通过同一个工厂类获得的，因此unwrappedSelector才是真正的底层NIO的Selector。这里讲一下Netty中的Selector与NIO中的Selector区别：NIO中的Selector内部有一个selectedKeys集合，这个集合里面存储了监听的事件类型SelectionKey

我们可以看到这个集合是一个Set集合，但是Set由于底层是一个哈希表，哈希表的遍历需要遍历每一个哈希桶，因此遍历的性能不高。Netty中的selectedKeys集合就对这点做了优化，改用数组来存储SelectionKey提高了遍历性能。我们可以看是通过反射机制来改用数组进行存储的。

看完源码我们可以回答上面的问题了：unwrappedSelector是原生的NIO中的Selector,selector是Netty中经过优化后的Selector,原生的Selector采用Set存储SelectionKey，NIO中的Selector采用数组存储SelectionKey，为了在遍历SelectionKey时提高性能，同时在其他地方使用到原生的Selector，因此有两个Selector成员。

nio线程在何时启动

为了了解清除nio线程是如何启动的，我写了一个测试类，以debug的模式来分析。

进入到execute方法中

我们看到先是做了一个非空判断，然后调用inEventLoop()方法。我们去看一下inEventLoop()的源码。

我们可以看到就是用于判断当前线程是否为EventLoop线程，刚开始EventLoop中的线程为空，所以肯定返回false。

之后把任务加入到任务队列里面，之后进入到一个if判断中进行首次调用，启动线程。

进入到startThread()方法，这里修改了state状态后进入方法，确保EventLoop线程开启只被调用一次。

进入到doStartThread();这里面就是真正地开启EventLoop线程

thread = Thread.currentThread()，在executor执行器中创建了线程，并把当前线程赋值给了EventLoop的thread成员变量中，此时一个nio线程就初始化成功了。

进入到SingleThreadEventExecutor.this.run();

我们可以看到这是一个死循环，这个死循环里不断地寻找IO事件以及是否有要处理地Task任务。

看完源码之后我们就可以回答上面的问题了

当首次调用execute方法时，会启动EventLoop的Nio线程，通过一个state状态位来控制线程只会启动一次。

每次循环时什么时候会进入SelecStrategy.SELECT分支

源码位置

决定是否进入分支的代码如下：

选中calculateStrategy方法，由于是一个接口，因此使用快捷键ctrl+alt+b进入到这个接口的实现类中

看到这里可以知道当hasTasks变量为false时（没有任务要执行时才会进入SelecStrategy.SELECT分支）；当有任务时会调用selectNow方法顺便拿到io事件，连同普通任务一起交给下面的逻辑去执行。

何时会select阻塞，阻塞多久？

当进入到SelectStrategy.SELECT分支后，我们发现不会一直阻塞，有一个阻塞时间curDeadlineNanos。

以下是Netty中NioEventLoop类的select方法的一部分源码，用于说明阻塞时间的计算：

private int select(long deadlineNanos) throws IOException {
    if (deadlineNanos == NONE) {
        // 无定时任务，直接阻塞
        return selector.select();
    }
    
    // 计算阻塞时间
    long timeoutMillis = deadlineNanos - System.nanoTime();
    if (timeoutMillis <= 0) {
        return selector.selectNow();
    }
    
    // 阻塞指定的毫秒数
    return selector.select(timeoutMillis);
}

在这个方法中，deadlineNanos表示下一次定时任务的到期时间（以纳秒为单位）。如果deadlineNanos是NONE，表示没有定时任务，select方法会无限期地阻塞，直到至少有一个通道的I/O事件就绪。如果deadlineNanos是一个具体的值，Netty会计算当前时间和deadlineNanos之间的差值，得到阻塞时间timeoutMillis。

如果timeoutMillis小于或等于0，表示定时任务已经到期，selectNow()方法会被调用，这个方法不会阻塞，立即返回就绪的通道。如果timeoutMillis大于0，select方法会阻塞最多timeoutMillis毫秒，直到有I/O事件就绪或者阻塞时间超过timeoutMillis。

这个设计确保了select方法的阻塞时间是根据下一次定时任务的到期时间来动态调整的，这样可以在保证I/O事件得到及时处理的同时，也能按时执行定时任务。

nio空轮询bug在哪里体现，Netty如何解决的？

NIO（New I/O）的“空轮询”Bug是指在某些操作系统和JDK版本中，Selector可能会错误地唤醒，即使没有实际的I/O事件发生，这会导致CPU 100%的问题。这个问题通常发生在Linux系统上，尤其是在Epoll模式下，且在使用old-style (poll(2)) epoll events的Linux内核版本中。

在Netty中，这个问题体现为EventLoop线程会不断地被唤醒，即使没有新的I/O事件需要处理，从而导致不必要的CPU消耗。

Netty解决这个问题的方法是使用一个称为“时间轮询检测”的机制。Netty会记录连续的空轮询次数，当空轮询次数达到一个阈值时，它会重建Selector，这样就可以避免这个问题。重建Selector意味着创建一个新的Selector实例，并将所有的通道注册到新的Selector上。

以下是Netty中处理空轮询的简化代码片段：

int selectCnt = 0;
for (;;) {
    selectCnt++;
    int selectedKeys = selector.select(timeoutMillis);
    if (selectedKeys != 0 || oldWakenUp || wakenUp.get() || hasTasks()) {
        // 处理就绪的I/O事件
    }

    if (selectCnt >= SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD) {
        // 重建Selector
        selector = selectRebuildSelector(selector);
        selectCnt = 0;
    }
}

ioRatio控制什么，设置为100有什么作用

ioRatio是一个用于控制I/O操作和非I/O任务执行时间的比例的参数。这个参数是在EventLoop中设置的，用于调整在事件循环中处理I/O事件和执行非I/O任务的时间比例。

ioRatio的值是一个百分比，表示在事件循环的一次迭代中，用于处理I/O事件的最大时间比例。例如，如果ioRatio设置为50，那么在每次事件循环迭代中，Netty会尽量保证至少50%的时间用于处理I/O事件，而剩余的50%的时间用于执行非I/O任务。

阅读上面的源码我们可以看到runAllTasks(ioTime * (100 - ioRatio) / ioRatio)，通过ioRatio控制非io事件的执行时间。

如果ioRatio设置为100，那么Netty将不会限制非I/O任务的执行时间。这意味着在每次事件循环迭代中，Netty会尽可能快地执行所有的非I/O任务，而不会根据ioRatio来调整I/O事件处理时间。

Netty中对selectKeys优化是怎么回事

Netty中对selectedKeys的优化主要是针对Java NIO中Selector的selectedKeys()方法返回的SelectionKey集合的性能问题。在Java NIO中，每次调用Selector的select()方法后，都需要处理selectedKeys()方法返回的集合中的每个SelectionKey，以确定哪些通道准备进行I/O操作。

在早期的Java版本中，selectedKeys()返回的集合是HashSet，这意味着每次调用selectedKeys()都会创建一个新的集合实例，并且在处理完选中的键后，需要手动清除已处理的键，以避免在下次选择操作时重复处理。这种操作方式在性能上是有开销的，尤其是在高负载下，频繁的集合创建和清除操作会显著影响性能。

Netty为了优化这一过程，采取了以下措施：

使用优化的集合：Netty使用了一个自定义的集合SelectedSelectionKeySet来替代JDK默认的HashSet。这个集合是一个数组，它避免了HashSet的性能开销，并且可以更快地遍历选中的键。
避免不必要的集合创建：Netty通过反射的方式将Selector的selectedKeys和publicSelectedKeys字段替换为自定义的SelectedSelectionKeySet实例，这样在每次调用select()方法后，不需要创建新的集合实例。
清除已处理键的优化：由于SelectedSelectionKeySet是专门为Netty的用途设计的，它可以在处理完选中的键后自动清除，无需手动操作，这进一步减少了性能开销。

以下是Netty中相关优化的简化代码示例：

if (selectedKeys != null && !selectedKeys.isEmpty()) {
    for (Iterator<SelectionKey> i = selectedKeys.iterator(); i.hasNext(); ) {
        SelectionKey k = i.next();
        // 处理选中的键
        processSelectedKey(k);
        i.remove();
    }
}

在这个示例中，selectedKeys是SelectedSelectionKeySet的实例，它在迭代过程中会自动清除已处理的键，这样在下一次select()调用时，就不会重复处理这些键。

通过这些优化，Netty显著提高了在高负载下处理selectedKeys的性能，减少了内存分配和垃圾收集的压力，从而提高了整个网络应用框架的性能和可扩展性。