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問題
老規矩，Netty的源碼很難、很複雜，爲了更快的學懂新的知識，所以還是帶着問題來學習源碼。
Netty作爲一款基於事件驅動的高性能網絡框架，其底層實際上仍然使用的是JDK裏面的NIO，Netty在JDK的NIO上做了大量優化，以及封裝，降低了開發人員使用NIO的難度。
使用JDK原生的NIO進行網絡編程時，首先得做兩件事：1. 創建以及初始化ServerSocketChannel，2. 將ServerSocketChannel綁定到多路複用器Selector上。既然說Netty對JDK的NIO做了封裝，那麼在Netty中是什麼時候進行這兩步操作的呢？（在Netty中服務端的Channel是NioServerSocketChannel）
答案顯然就是：在Netty服務端啓動的時候進行的。本文接下來就結合源碼來看看Netty是如何進行服務端Channel的初始化，關於綁定到Selector的源碼分析會發布在下一篇文章中。
組件說明
在看Netty服務端啓動流程的源碼之前，先來簡單介紹下Netty中相關的組件。這些組件很重要，後面會單獨針對每一個組件寫文章進行詳細說明，今天只是先簡單介紹一下。
首先是NioEventLoopGroup，看英文名，翻譯過來就是一個NIO事件輪詢組。可以簡單理解爲它是一個線程組，它裏面包含了一組線程，這些線程後續用來執行客戶端的接入、IO數據讀寫等任務。
NioEventLoop，可以簡單理解爲它是一個線程，多個NioEventLoop合起來就是一個NioEventLoopGroup。
Pipeline，它是由ChannelHandlerContext類型的元素組成的一個雙向鏈表，ChannelHandlerContext裏面包裝了一個ChannelHandler。對於服務端而言，每當有新連接接入時，都會通過Pipeline來傳播。這個組件十分重要，在實際工作中，使用Netty實現自己自定義的業務邏輯，就是通過修改Pipeline來實現的。
服務端啓動
先來看一段服務端啓動的demo代碼。
在示例代碼中，①~⑤都是爲Netty服務端設置一些屬性，比較簡單。需要額外說明的是第②步。在第②步中，對服務端而言，需要設置channel的類型爲NioServerSocketChannel。當調用channle(NioServerSocketChannel.class)方法時，會調用到AbstractBootstrap類的channel()方法，它乾的事情就是創建一個一個ReflectiveChannelFactory工廠，並將ReflectiveChannelFactory實例賦值給AbstractBootstrap類的channelFactory屬性。
對於ReflectiveChannelFactory而言，它有一個Constructor類型的屬性，叫做constructor，它就是後續用來創建Channel的反射構造器。對於此處而言，constructor就是NioServerSocketChannel.class的反射構造器，通過它就能創建出一個NioServerSocketChannel的實例對象。
channel()方法的源碼
ReflectiveChannelFactory構造器的源碼
在第⑥步中，會調用ServerBootstrap的bind()方法，這個方法中傳入了一個端口號：8080。從外面看，這個方法及其簡單，但是它乾的事情非常多。在這個方法中會初始化服務端的channel，註冊channel到selector上，然後綁定端口，啓動服務端。下面來通過分析它的源碼，來看下服務端Channel是如何進行初始化和綁定操作的。
當調用ServerBootstrap.bind(8080)時，會調用到ServerBootstrap.doBind()，下面我簡化了一下doBind()方法的源碼，只保留了核心代碼，如下。
在doBind()方法中調用了兩個非常重要的方法，一個是initAndRegister()方法，它用來進行Channel的初始化和註冊到Selector上的操作；另外一個是doBind0()方法，它用來進行端口號的綁定操作。今天只分析initAndRegister()方法的前半部分。
channel初始化
initAndRegister()的源碼如下。
在initAndRegister()方法中，會先通過調用channelFactory.newChannel()來創建一個Channle，對於服務端而言，這裏創建的就是NioServerSocketChannel。那麼它是如何創建的呢？
首先這裏的channelFactory就是前面在②處提到的ReflectiveChannelFactory，它裏面包含一個屬性constructor。這個constructor就是NioServerSocketChannel.class的反射構造器，通過調用constructor.newInstance()方法，就會調用到NioServerSocketChannel類的無參構造方法。NioServerSocketChannel的無參構造方法如下。
public NioServerSocketChannel() {
// DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER的值就是SelectorProvider.provider()
// 先調用newSocket()
this(newSocket(DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER));
}
在無參構造方法中會先調用newSocket()方法，該方法就是通過JDK原生的API創建一個ServerSocketChannel。
private static ServerSocketChannel newSocket(SelectorProvider provider) {
try {
// provider的值就是SelectorProvider.provider();
// 這裏就是直接調用JDK中NIO的原生API，創建ServerSocketChannel
return provider.openServerSocketChannel();
} catch (IOException e) {
throw new ChannelException(
"Failed to open a server socket.", e);
}
}
當調用完newSocket()方法後，會返回一個ServerSocketChannel，然後接着會調用this(ServerSocketChannel)，即NioServerSocketChannel類的一個有參構造器。
public NioServerSocketChannel(ServerSocketChannel channel) {
// 調用父類的構造器，SelectionKey.OP_ACCEPT的值爲1，表示的是服務的channel感興趣的事件是接收事件
super(null, channel, SelectionKey.OP_ACCEPT);
// config是用來保存服務端channel相關的配置
config = new NioServerSocketChannelConfig(this, javaChannel().socket());
}
接着會一直往上調用父類的構造器，最終會調用到AbstractNioChannel類的構造器中。
protected AbstractNioChannel(Channel parent, SelectableChannel ch, int readInterestOp) {
// 繼續調用父類
super(parent);
this.ch = ch;
// 保存感興趣的事件，前面傳過來的值是OP_ACCEPT，表示感興趣的時間是接收事件，
// 這裏只是保存，並不是意味着此時就是要開始接收新連接了
this.readInterestOp = readInterestOp;
try {
// 設置爲非阻塞模式，這個JDK的原生的NIO是一致的
ch.configureBlocking(false);
} catch (IOException e) {
// ......
}
}
在這裏會先調用父類的構造器，再保存channle、readInterestOp以及設置channel爲非阻塞模式。注意這裏只是保存了readInterestOp的值，並不是意味着此時就是要開始接收新連接了，因爲此時服務端還沒有綁定端口。再繼續往上看父類的構造器幹了哪些事情。
最終會調用到AbstractChannel的構造器。
protected AbstractChannel(Channel parent) {
this.parent = parent;
id = newId();
unsafe = newUnsafe();
pipeline = newChannelPipeline();
}
在AbstractChannel的構造器主要乾了三件事。
第一：給channel的id賦值，這個id就是一個唯一標識符，用處不大。
第二：通過newUnsafe()創建了一個NioMessageUnsafe對象，這個對象是服務端後面負責用來接收連接等操作的。看到Unsafe是不是立馬能想到JDK中的Unsafe類，它的作用類似，可以直接操作內存，功能很強大。
第三：通過newChannelPipeline()創建了一個Pipeline，後面所有新連接的接入，都需要經過該Pipeline進行傳播。Pipeline的初始化如下，會初始化一個頭結點和尾結點。
protected DefaultChannelPipeline(Channel channel) {
this.channel = ObjectUtil.checkNotNull(channel, "channel");
succeededFuture = new SucceededChannelFuture(channel, null);
voidPromise = new VoidChannelPromise(channel, true);
tail = new TailContext(this);
head = new HeadContext(this);
head.next = tail;
tail.prev = head;
}
此時Pipeline的結構如下。
此時，NioServerSocketChannel的構造方法終於執行完了，回到initAndRegister()方法中，此時channel對象已經有值了，接下來就是調用init()方法進行channel的初始化操作了。當調用init()方法時，會調用ServerBootstrap的init()方法。在init()方法中，先是獲取到了前面②等步驟中設置的一些和服務端Channel相關的option、attrs（本文demo中沒設置）等配置，以及和客戶端channel相關的childOptions、childAttrs等配置，代碼比較簡單，這裏就不一一展開了。
init()方法最核心的邏輯在最後一行：p.addLast()。前面在創建NioServerSocketChannel時，對channel中的pipeline進行的初始化操作，這裏當調用p.addLast()時，會向pipeline中在添加一個ChannelHandler。下面是init()方法簡化後的代碼。
void init(Channel channel) throws Exception {
// ......
ChannelPipeline p = channel.pipeline();
// 添加了一個匿名類
p.addLast(new ChannelInitializer<Channel>() {
// 後面會回調到initChannel()方法
@Override
public void initChannel(final Channel ch) throws Exception {
final ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
// config.handler()獲取到handler就是我們在步驟④中指定的NettyServerHandler類
ChannelHandler handler = config.handler();
if (handler != null) {
// 添加到pipeline中
pipeline.addLast(handler);
}
// 添加成功後，向NioEventLoop中添加一個任務，最終就執行到裏面的run()方法
ch.eventLoop().execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 在run()方法中又向pipeline中添加了一個ChannelHandler
pipeline.addLast(new ServerBootstrapAcceptor(
ch, currentChildGroup, currentChildHandler, currentChildOptions, currentChildAttrs));
}
});
}
});
}
此時向pipeline中添加的是一個匿名類：new ChannelInitializer<Channel>(){}，注意此時並不會執行這個匿名類中的initChannel()方法。添加完成後，pipeline的結構變成了如下圖所示的結構。
當後面channel註冊到Selector上後，會回調到ChannelInitializer的initChannel(ChannelHandlerContext ctx)方法上（注意這裏initChannel()方法是一個重載方法）。源碼如下。
private boolean initChannel(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
if (initMap.add(ctx)) { // Guard against re-entrance.
try {
// 回調匿名類的initChannel()方法
initChannel((C) ctx.channel());
} catch (Throwable cause) {
// Explicitly call exceptionCaught(...) as we removed the handler before calling initChannel(...).
// We do so to prevent multiple calls to initChannel(...).
exceptionCaught(ctx, cause);
} finally {
// 最後將pipeline中的這個匿名類刪除
ChannelPipeline pipeline = ctx.pipeline();
if (pipeline.context(this) != null) {
pipeline.remove(this);
}
}
return true;
}
return false;
}
在initChannel(ChannelHandlerContext ctx方法上，就會回調到上面pipeline中匿名類的initChannel(final Channel ch)方法。在匿名類的initChannel()方法的邏輯中，會先向pipeline中添加一個我們在步驟④中指定的NettyServerHandler類，添加完後，pipeline就會變成如下結構。
當添加完NettyServerHandler後，接着通過ch.eventLoop().execute(new Runnable(){})向NioEventLoop中添加了一個任務，這個任務此時不會立刻執行，而是會在另外的線程中異步執行。當匿名類的initChannel(final Channel ch)方法執行完成後，就會回到initChannel(ChannelHandlerContext ctx)方法中，最後會執行finally語句塊。在finally中執行了一段代碼。
ChannelPipeline pipeline = ctx.pipeline();
if (pipeline.context(this) != null) {
pipeline.remove(this);
}
這段代碼的作用，就是將前面創建的那個匿名類，從pipeline中移除。移除完以後pipeline的結構就變爲了如下圖所示。爲什麼要刪除呢？因爲這個匿名類的只是用來在啓動階段向pipeline中添加元素的，當服務器啓動以後，pipeline的結構已經固定了，這個匿名類就沒有存在的意義了，因此會把它刪除。
由於前面向NioEventLoop中添加了一個任務，當這個任務被執行時，又會向pipeline中添加一個元素：ServerBootstrapAcceptor。這個類很重要，它就是後面用來負責所有新連接的接入的。因爲後面所有的新連接都會先經過服務端channel的pipeline，而ServerBootstrapAcceptor又是pipeline中一個節點，所以後面所有的新連接都要經過ServerBootstrapAcceptor的處理。最終pipeline的結構如下圖所示。（重要的事情說三遍：這個圖很重要，牢記！牢記！牢記！）
總結
- 本文主要結合源碼分析了服務端的NioServerSocketChannel的初始化過程，但沒有分析NioServerSocketChannel如何註冊到Selector上，以及服務端端口綁定的流程也沒有分析，這兩部分的內容會在後面兩篇文章中詳細分析。
- 在分析NioServerSocketChannel初始化的過程中，着重分析了pipeline的變化過程以及最終的結構，這對於後面分析新連接的接入過程會有很大的幫助。
- 最後，Netty源碼很複雜，它的啓動流程非常重要，代碼也很複雜。類的繼承關係十分複雜，所以建議讀者親自動手Debug調試，這對學習Netty會有很大幫助。