前言

回顾Netty系列文章：

• Netty 概述（一）
• Netty 架构设计（二）
• Netty Channel 概述（三）
• Netty ChannelHandler（四）
• ChannelPipeline源码分析（五）
• 字节缓冲区 ByteBuf （六）（上）
• 字节缓冲区 ByteBuf（七）（下）
• Netty 如何实现零拷贝（八）
• Netty 程序引导类（九）
• Reactor 模型（十）
• 工作原理详解（十一）
• Netty 解码器（十二）
• Netty 编码器（十三）
• Netty 编解码器（十四）
• 自定义解码器、编码器、编解码器（十五）
• Future 源码分析（十六）
• Promise 源码分析（十七）

对于使用netty的小伙伴来说，我们想通过服务端往客户端发送数据，通常我们会调用ctx.writeAndFlush(数据)的方式。那么它都执行了那些行为呢，是怎么将消息发送出去的呢。

一、源码分析

下面的这个方法是用来接收客户端发送过来的数据，通常会使用ctx.writeAndFlush(数据)来向客户端发送数据。

@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
    System.out.println(" 接收到消息：" + msg);
    String str = "服务端收到：" + new Date() + msg;
    ctx.writeAndFlush(str);
}

1.1 ctx.writeAndFlush 的逻辑

private void write(Object msg, boolean flush, ChannelPromise promise) {

    //...

    AbstractChannelHandlerContext next = this.findContextOutbound(flush ? 98304 : '耀');
    Object m = this.pipeline.touch(msg, next);
    EventExecutor executor = next.executor();
    if (executor.inEventLoop()) {
        if (flush) {
            next.invokeWriteAndFlush(m, promise);
        } else {
            next.invokeWrite(m, promise);
        }
    } else {
        Object task;
        if (flush) {
            task = AbstractChannelHandlerContext.WriteAndFlushTask.newInstance(next, m, promise);
        } else {
            task = AbstractChannelHandlerContext.WriteTask.newInstance(next, m, promise);
        }

        if (!safeExecute(executor, (Runnable)task, promise, m)) {
            ((AbstractChannelHandlerContext.AbstractWriteTask)task).cancel();
        }
    }

}

从上述源码我们可以知道，WriteAndFlush()相对于Write()，它的flush字段是true。

• write：将需要写的 ByteBuff 存储到 ChannelOutboundBuffer中。
• flush：从ChannelOutboundBuffer中将需要发送的数据读出来，并通过 Channel 发送出去。

1.2 writeAndFlush 源码

public ChannelFuture writeAndFlush(Object msg) {
    return this.writeAndFlush(msg, this.newPromise());
}

public ChannelPromise newPromise() {
    return new DefaultChannelPromise(this.channel(), this.executor());
}

writeAndFlush方法里提供了一个默认的 newPromise()作为参数传递。在Netty中发送消息是一个异步操作，那么可以通过往hannelPromise中注册回调监听listener来得到该操作是否成功。
在发送消息时添加监听

ctx.writeAndFlush(str,ctx.newPromise().addListener(new ChannelFutureListener(){
    @Override
    public void operationComplete(ChannelFuture channelFuture) throws Exception{
        channelFuture.isSuccess();
    }
}));

继续向下一层跟进代码，AbstractChannelHandlerContext中的invokeWriteAndFlush的源码。

private void invokeWriteAndFlush(Object msg, ChannelPromise promise) {
    if (this.invokeHandler()) {
        this.invokeWrite0(msg, promise);
        this.invokeFlush0();
    } else {
        this.writeAndFlush(msg, promise);
    }

}

从上述源码我们可以能够知道：
1、首先通过invokeHandler()判断通道处理器是否已添加到管道中。
2、执行消息处理 invokeWrite0方法：

• 首先将消息内容放入输出缓冲区中 invokeFlush0；
• 然后将输出缓冲区中的数据通过socket发送到网络中。

分析invokeWrite0执行的内容，源码如下：

private void invokeWrite0(Object msg, ChannelPromise promise) {
    try {
        ((ChannelOutboundHandler)this.handler()).write(this, msg, promise);
    } catch (Throwable var4) {
        notifyOutboundHandlerException(var4, promise);
    }

}

((ChannelOutboundHandler)this.handler()).write是一个出站事件ChannelOutboundHandler，会由ChannelOutboundHandlerAdapter处理。

@Skip
public void write(ChannelHandlerContext ctx, Object msg, ChannelPromise promise) throws Exception {
    ctx.write(msg, promise);
}

接下来会走到ChannelPipeline中，来执行网络数据发送；我们来看DefaultChannelPipeline 中HeadContext的write方法源码

public void write(ChannelHandlerContext ctx, Object msg, ChannelPromise promise) {
    this.unsafe.write(msg, promise);
}

unsafe是构建NioServerSocketChannel或NioSocketChannel对象时，一并构建一个成员属性，它会完成底层真正的网络操作等。
我们跟进HenderContext的write() ，而HenderContext的中依赖的是unsafe.wirte()。所以直接去 AbstractChannel的Unsafe 源码如下：

public final void write(Object msg, ChannelPromise promise) {
    this.assertEventLoop();
    ChannelOutboundBuffer outboundBuffer = this.outboundBuffer;
    if (outboundBuffer == null) {// 缓存 写进来的 buffer
        this.safeSetFailure(promise, this.newWriteException(AbstractChannel.this.initialCloseCause));
        ReferenceCountUtil.release(msg);
    } else {
        int size;
        try {
            // buffer Dirct化 , (我们查看 AbstractNioByteBuf的实现)
            msg = AbstractChannel.this.filterOutboundMessage(msg);
            size = AbstractChannel.this.pipeline.estimatorHandle().size(msg);
            if (size < 0) {
                size = 0;
            }
        } catch (Throwable var6) {
            this.safeSetFailure(promise, var6);
            ReferenceCountUtil.release(msg);
            return;
        }
        //  插入写队列  将 msg 插入到 outboundBuffer
        //  outboundBuffer 这个对象是 ChannelOutBoundBuff 类型的,它的作用就是起到一个容器的作用
        //  下面看, 是如何将 msg 添加进 ChannelOutBoundBuff 中的
        outboundBuffer.addMessage(msg, size, promise);
    }
}

从上述源码中，我们可以看出，首先调用 assertEventLoop 确保该方法的调用是在reactor线程中；然后，调用 filterOutboundMessage() 方法，将待写入的对象过滤。下面我们来看看filterOutboundMessage方法的源码。

protected final Object filterOutboundMessage(Object msg) {
    if (msg instanceof ByteBuf) {
        ByteBuf buf = (ByteBuf)msg;
        return buf.isDirect() ? msg : this.newDirectBuffer(buf);
    } else if (msg instanceof FileRegion) {
        return msg;
    } else {
        throw new UnsupportedOperationException("unsupported message type: " + StringUtil.simpleClassName(msg) + 																											EXPECTED_TYPES);
    }
}

从上述源码可以看出，只有ByteBuf以及 FileRegion可以进行最终的Socket网络传输，其他类型的数据是不支持的，会抛UnsupportedOperationException异常。并且会把堆 ByteBuf 转换为一个非堆的 ByteBuf 返回。也就说，最后会通过socket传输的对象时非堆的 ByteBuf 和 FileRegion。
在发送数据时，我们需要估算出需要写入的 ByteBuf 的size，我们来看看 DefaultMessageSizeEstimator 的HandleImpl类中的size()方法。

public final class DefaultMessageSizeEstimator implements MessageSizeEstimator {

    private static final class HandleImpl implements Handle {
        private final int unknownSize;

        private HandleImpl(int unknownSize) {
            this.unknownSize = unknownSize;
        }

        public int size(Object msg) {
            if (msg instanceof ByteBuf) {
                return ((ByteBuf)msg).readableBytes();
            } else if (msg instanceof ByteBufHolder) {
                return ((ByteBufHolder)msg).content().readableBytes();
            } else {
                return msg instanceof FileRegion ? 0 : this.unknownSize;
            }
        }
    }
}

通过ByteBuf.readableBytes()判断消息内容大小，估计待发送消息数据的大小，如果是FileRegion的话直接返回0，否则返回ByteBuf中可读取字节数。
接下来我们来看看是如何将 msg 添加进 ChannelOutBoundBuff 中的。

1.3 ChannelOutBoundBuff 类

ChannelOutboundBuffer类主要用于存储其待处理的出站写请求的内部数据。当 Netty 调用 write时数据不会真正地去发送而是写入到ChannelOutboundBuffer 缓存队列，直到调用 flush方法 Netty 才会从ChannelOutboundBuffer取数据发送。每个 Unsafe 都会绑定一个ChannelOutboundBuffer，也就是说每个客户端连接上服务端都会创建一个 ChannelOutboundBuffer 绑定客户端 Channel。
观察 ChannelOutBoundBuff 源码，可以看到以下四个属性：

public final class ChannelOutboundBuffer {

    //...
    
    private ChannelOutboundBuffer.Entry flushedEntry;
    private ChannelOutboundBuffer.Entry unflushedEntry;
    private ChannelOutboundBuffer.Entry tailEntry;
    private int flushed;
    
    //...
    
}

• flushedEntry ：指针表示第一个被写到操作系统Socket缓冲区中的节点；

• unFlushedEntry：指针表示第一个未被写入到操作系统Socket缓冲区中的节点；

• tailEntry：指针表示ChannelOutboundBuffer缓冲区的最后一个节点。

• flushed：表示待发送数据个数。

下面分别是三个指针的作用，示意图如下：

• flushedEntry 指针表示第一个被写到操作系统Socket缓冲区中的节点；
• unFlushedEntry指针表示第一个未被写入到操作系统Socket缓冲区中的节点；
• tailEntry指针表示ChannelOutboundBuffer缓冲区的最后一个节点。

初次调用 addMessage 之后，各个指针的情况为：

fushedEntry指向空，unFushedEntry和 tailEntry 都指向新加入的节点。第二次调用 addMessage之后，各个指针的情况为：

第n次调用 addMessage之后，各个指针的情况为：

可以看到，调用n次addMessage，flushedEntry指针一直指向NULL，表示现在还未有节点需要写出到Socket缓冲区。
ChannelOutboundBuffer 主要提供了以下方法：

• addMessage方法：添加数据到对列的队尾；
• addFlush方法：准备待发送的数据，在 flush 前需要调用；
• nioBuffers方法：用于获取待发送的数据。在发送数据的时候，需要调用该方法以便拿到数据；
• removeBytes方法：发送完成后需要调用该方法来删除已经成功写入TCP缓存的数据。

1.4 addMessage 方法

addMessage 方法是系统调用write方法时调用，源码如下。

public void addMessage(Object msg, int size, ChannelPromise promise) {
    ChannelOutboundBuffer.Entry entry = ChannelOutboundBuffer.Entry.newInstance(msg, size, total(msg), promise);
    if (this.tailEntry == null) {
        this.flushedEntry = null;
    } else {
        ChannelOutboundBuffer.Entry tail = this.tailEntry;
        tail.next = entry;
    }

    this.tailEntry = entry;
    if (this.unflushedEntry == null) {
        this.unflushedEntry = entry;
    }

    this.incrementPendingOutboundBytes((long)entry.pendingSize, false);
}

上述源码流程如下：

将消息数据包装成 Entry 对象；
如果对列为空，直接设置尾结点为当前节点，否则将新节点放尾部；
unflushedEntry为空说明不存在暂时不需要发送的节点，当前节点就是第一个暂时不需要发送的节点；
将消息添加到未刷新的数组后，增加挂起的节点。

这里需要重点看看第一步将消息数据包装成 Entry 对象的方法。

static final class Entry {
    private static final Recycler<ChannelOutboundBuffer.Entry> RECYCLER = new Recycler<ChannelOutboundBuffer.Entry>() {
        protected ChannelOutboundBuffer.Entry newObject(Handle<ChannelOutboundBuffer.Entry> handle) {
            return new ChannelOutboundBuffer.Entry(handle);
        }
    };

    // ...

    static ChannelOutboundBuffer.Entry newInstance(Object msg, int size, long total, ChannelPromise promise) {
        ChannelOutboundBuffer.Entry entry = (ChannelOutboundBuffer.Entry)RECYCLER.get();
        entry.msg = msg;
        entry.pendingSize = size + ChannelOutboundBuffer.CHANNEL_OUTBOUND_BUFFER_ENTRY_OVERHEAD;
        entry.total = total;
        entry.promise = promise;
        return entry;
    }

    // ...

}

其中Recycler类是基于线程本地堆栈的轻量级对象池。这意味着调用newInstance方法时 ，并不是直接创建了一个 Entry 实例，而是通过对象池获取的。
下面我们看看incrementPendingOutboundBytes方法的源码。

private void incrementPendingOutboundBytes(long size, boolean invokeLater) {
    if (size != 0L) {
        // TOTAL_PENDING_SIZE_UPDATER 当前缓存中 存在的代写的 字节
        // 累加
        long newWriteBufferSize = TOTAL_PENDING_SIZE_UPDATER.addAndGet(this, size);
        // 判断 新的将被写的 buffer的容量不能超过  getWriteBufferHighWaterMark() 默认是 64*1024  64字节
        if (newWriteBufferSize > (long)this.channel.config().getWriteBufferHighWaterMark()) {
            // 超过64 字节,进入这个方法
            this.setUnwritable(invokeLater);
        }

    }
}

在每次添加新的节点后都调用incrementPendingOutboundBytes((long)entry.pendingSize, false)方法，这个方法的作用是设置写状态，设置怎样的状态呢？我们看它的源码，可以看到，它会记录下累计的ByteBuf的容量，一旦超出了阈值，就会传播channel不可写的事件。

1.5 addFlush 方法

addFlush 方法是在系统调用 flush 方法时调用的，addFlush 方法的源码如下。

public void addFlush() {
    ChannelOutboundBuffer.Entry entry = this.unflushedEntry;
    if (entry != null) {
        if (this.flushedEntry == null) {
            this.flushedEntry = entry;
        }

        do {
            ++this.flushed;
            if (!entry.promise.setUncancellable()) {
                int pending = entry.cancel();
                this.decrementPendingOutboundBytes((long)pending, false, true);
            }

            entry = entry.next;
        } while(entry != null);

        this.unflushedEntry = null;
    }

}

以上方法的主要功能就是暂存数据节点变成待发送节点，即flushedEntry 指向的节点到unFlushedEntry指向的节点（不包含 unFlushedEntry）之间的数据。
上述源码的流程如下：

先获取unFlushedEntry指向的暂存数据的起始节点；
将待发送数据起始指针flushedEntry 指向暂存起始节点；
通过promise.setUncancellable()锁定待发送数据，并在发送过程中取消，如果锁定过程中发现其节点已经取消，则调用entry.cancel()取消节点发送，并减少待发送的总字节数。

下面我们看看decrementPendingOutboundBytes方法的源码。

private void decrementPendingOutboundBytes(long size, boolean invokeLater, boolean notifyWritability) {
    if (size != 0L) {
        // 每次 减去 -size
        long newWriteBufferSize = TOTAL_PENDING_SIZE_UPDATER.addAndGet(this, -size);
            //  默认 getWriteBufferLowWaterMark() -32kb
    		//  newWriteBufferSize<32 就把不可写状态改为可写状态
        if (notifyWritability && newWriteBufferSize < (long)this.channel.config().getWriteBufferLowWaterMark()) {
            this.setWritable(invokeLater);
        }
    }
}

1.6 AbstractNioByteChannel 类

在这个类中，我们主要看doWrite(ChannelOutboundBuffer in)方法，源码如下。

protected void doWrite(ChannelOutboundBuffer in) throws Exception {
    int writeSpinCount = this.config().getWriteSpinCount();

    do {
        Object msg = in.current();
        if (msg == null) {
            this.clearOpWrite();
            return;
        }

        writeSpinCount -= this.doWriteInternal(in, msg);
    } while(writeSpinCount > 0);

    this.incompleteWrite(writeSpinCount < 0);
}

通过一个无限循环，保证可以拿到所有的节点上的ByteBuf，通过这个函数获取节点，Object msg = in.current();
我们进一步看它的实现，如下，它只会取出我们标记的节点。

public Object current() {
    ChannelOutboundBuffer.Entry entry = this.flushedEntry;
    return entry == null ? null : entry.msg;
}

下面我们看下doWriteInternal(in, msg)的方法源码。

private int doWriteInternal(ChannelOutboundBuffer in, Object msg) throws Exception {
    if (msg instanceof ByteBuf) {
        ByteBuf buf = (ByteBuf)msg;
        if (!buf.isReadable()) {
            in.remove();
            return 0;
        }

        int localFlushedAmount = this.doWriteBytes(buf);
        if (localFlushedAmount > 0) {
            in.progress((long)localFlushedAmount);
            if (!buf.isReadable()) {
                in.remove();
            }

            return 1;
        }
    } else {
        if (!(msg instanceof FileRegion)) {
            throw new Error();
        }

        FileRegion region = (FileRegion)msg;
        if (region.transferred() >= region.count()) {
            in.remove();
            return 0;
        }

        long localFlushedAmount = this.doWriteFileRegion(region);
        if (localFlushedAmount > 0L) {
            in.progress(localFlushedAmount);
            if (region.transferred() >= region.count()) {
                in.remove();
            }

            return 1;
        }
    }

    return 2147483647;
}

使用 jdk 的自旋锁，循环16次，尝试往 jdk 底层的ByteBuffer中写数据，调用函数doWriteBytes(buf)；他具体的实现是客户端 channel 的封装类NioSocketChannel实现的源码如下：

protected int doWriteBytes(ByteBuf buf) throws Exception {
    int expectedWrittenBytes = buf.readableBytes();
    // 将字节数据, 写入到 java 原生的 channel中
    return buf.readBytes(this.javaChannel(), expectedWrittenBytes);
}

这个readBytes()依然是抽象方法，因为前面我们曾经把从 ByteBuf 转化成了 Dirct 类型的，所以它的实现类是PooledDirctByteBuf 继续跟进如下:

public int readBytes(GatheringByteChannel out, int length) throws IOException {
    this.checkReadableBytes(length);
    // 关键的就是 getBytes()  跟进去
    int readBytes = this.getBytes(this.readerIndex, out, length, true);
    this.readerIndex += readBytes;
    return readBytes;
}


private int getBytes(int index, GatheringByteChannel out, int length, boolean internal) throws IOException {
    this.checkIndex(index, length);
    if (length == 0) {
        return 0;
    } else {
        ByteBuffer tmpBuf;
        if (internal) {
            tmpBuf = this.internalNioBuffer();
        } else {
            tmpBuf = ((ByteBuffer)this.memory).duplicate();
        }

        index = this.idx(index);
        // 将netty 的 ByteBuf 塞进 jdk的 ByteBuffer tmpBuf;
        tmpBuf.clear().position(index).limit(index + length);
        // 调用jdk的write()方法
        return out.write(tmpBuf);
    }
}

被使用过的节点会被remove()掉, 源码如下。

private void removeEntry(ChannelOutboundBuffer.Entry e) {
    if (--this.flushed == 0) { // 如果是最后一个节点,把所有的指针全部设为null
        this.flushedEntry = null;
        if (e == this.tailEntry) {
            this.tailEntry = null;
            this.unflushedEntry = null;
        }
    } else { // 如果不是最后一个节点, 把当前节点,移动到最后的节点
        this.flushedEntry = e.next;
    }

}

总结

1. 调用write方法并没有将数据写到 Socket 缓冲区中，而是写到了一个单向链表的数据结构中，flush才是真正的写出。
2. writeAndFlush等价于先将数据写到netty的缓冲区，再将netty缓冲区中的数据写到Socket缓冲区中，写的过程与并发编程类似，用自旋锁保证写成功。