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阶段2、深入多线程设计模式
阶段3、深入juc源码解析
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上一章讲到，Sender线程会不断Loop循环，根据Batch是否就绪筛选出一批Broker。筛选完这些Broker后，还需要判断这些Broker的状态，比如连接是否已经成功建立，对于没有建立连接的Broker进行连接初始化，核心流程是在NetworkClient.ready()中完成的：
// Sender.java
// 3.检查与Broker的连接状态
Iterator<Node> iter = result.readyNodes.iterator();
long notReadyTimeout = Long.MAX_VALUE;
while (iter.hasNext()) {
Node node = iter.next();
// 没有客户端与Broker没有成功建立连接，需要移除
if (!this.client.ready(node, now)) {
iter.remove();
notReadyTimeout = Math.min(notReadyTimeout, this.client.connectionDelay(node, now));
}
}
本章，我就来讲解Broker筛选的底层原理。
一、整体流程
Broker筛选的核心逻辑是在NetworkClient.ready()中完成的，下面的方法首先判断Broker是否符合就绪条件，接着对于 从未建立过连接或断开连接超过一定时间 的Broker，尝试初始化连接：
// NetworkClient.java
public boolean ready(Node node, long now) {
if (node.isEmpty())
throw new IllegalArgumentException("Cannot connect to empty node " + node);
// 1.判断Broker是否就绪
if (isReady(node, now))
return true;
// 2.执行到这里，可能是从未建立过连接或断开连接超过一定时间，所以要初始化连接
if (connectionStates.canConnect(node.idString(), now))
initiateConnect(node, now);
return false;
}
1.1 就绪判断
我们先来看NetworkClient.isReady()方法，它会认为同时满足以下条件的Broker才处于就绪状态：
MetadataUpdater元数据更新器当前不处于“即将更新元数据”的状态，也就是说，如果此时即将要更新元数据了，就不能发送请求，必须要等待元数据更新完成后才能发送请求；- Broker已经建立连接，且连接状态正常。
// NetworkClient.java
public boolean isReady(Node node, long now) {
// 当前没有准备更新元数据，且与Broker连接状态正常
return !metadataUpdater.isUpdateDue(now) && canSendRequest(node.idString());
}
第一个判断——MetadataUpdater.isUpdateDue()，本质就是要断定 当前客户端不能处于“即将更新元数据”的状态 ：
// NetworkClient.DefaultMetadataUpdater.java
public boolean isUpdateDue(long now) {
// 当前不处于更新中状态 && 下一次更新时间为0
return !this.metadataFetchInProgress && this.metadata.timeToNextUpdate(now) == 0;
}
第二个判断——NetworkClient.canSendRequest()方法包含了三部分判断逻辑，Broker必须满足以下三个条件才被认为是就绪的：
- Broker的连接状态是READY；
- Selector Channel已经就绪（NetworkClient底层采用了NIO通信机制）；
- inFlightRequests 请求数未满，也就是说未响应的请求数不能超过参数
max.in.flight.requests.per.connection设置的值，默认为5个。
// NetworkClient.java
private boolean canSendRequest(String node) {
return connectionStates.isReady(node) && selector.isChannelReady(node)
&& inFlightRequests.canSendMore(node);
}
1.2 建立连接
经过第一层筛选后，还有一种情况需要考虑，就是 客户端与Broker之间不存在连接 ，所以需要通过ClusterConnectionStates.canConnect()判断下是否属于这种情况，如果是则要建立连接：
// ClusterConnectionStates.java
public boolean canConnect(String id, long now) {
// 与当前Broker的连接状态
NodeConnectionState state = nodeState.get(id);
if (state == null) // null表示从未建立过连接
return true;
else
// 连接为断开状态且已经超过一段时间没有重连（默认100ms），也算没有建立过连接
return state.state == ConnectionState.DISCONNECTED &&
now - state.lastConnectAttemptMs >= this.reconnectBackoffMs;
}
NetworkClient.initiateConnect()建立连接，这里其实用到了设计模式里的 状态模式 ，通过状态机来修改连接的不同状态：
// NetworkClient.java
private void initiateConnect(Node node, long now) {
String nodeConnectionId = node.idString();
try {
log.debug("Initiating connection to node {} at {}:{}.", node.id(), node.host(), node.port());
// 通过状态机修改连接状态
this.connectionStates.connecting(nodeConnectionId, now);
// 通过底层NIO组件建立连接
selector.connect(nodeConnectionId,
new InetSocketAddress(node.host(), node.port()),
this.socketSendBuffer,
this.socketReceiveBuffer);
} catch (IOException e) {
connectionStates.disconnected(nodeConnectionId, now);
metadataUpdater.requestUpdate();
log.debug("Error connecting to node {} at {}:{}:", node.id(), node.host(), node.port(), e);
}
}
另外还要注意，Selector是Kafka客户端自己的NIO组件，底层建立的都是Socket连接。Selector在建立连接时，在底层初始化一个SocketChannel组件，然后把它注册到Selector上，监听它建立连接的事件。
二、初始化连接
上述Broker筛选过程中，如果客户端与某个Broker没有建立连接，就会通过Selector组件去建立连接。本节，我就对Selector这个NIO网络通信组件作一个讲解。
2.1 NetworkClient构造
我们在初始化KafkaProducer时，会创建网络通信组件 NetworkClient ：
// kafkaProducer.java
NetworkClient client = new NetworkClient(
new Selector(config.getLong(ProducerConfig.CONNECTIONS_MAX_IDLE_MS_CONFIG), this.metrics, time, "producer", channelBuilder),
this.metadata, clientId,
config.getInt(ProducerConfig.MAX_IN_FLIGHT_REQUESTS_PER_CONNECTION),
config.getLong(ProducerConfig.RECONNECT_BACKOFF_MS_CONFIG),
config.getInt(ProducerConfig.SEND_BUFFER_CONFIG),
config.getInt(ProducerConfig.RECEIVE_BUFFER_CONFIG),
this.requestTimeoutMs, time, true);
可以看到，它的内部封装了一个Selector对象，这个就是Kafka客户端最核心的通信组件：
public class NetworkClient implements KafkaClient {
private final Selectable selector;
//...
}
Selector内部封装了Java NIO核心组件——java.nio.channels.Selector，并且建立了Broker ID和KafkaChannel的映射关系：
public class Selector implements Selectable {
private final java.nio.channels.Selector nioSelector;
private final Map<String, KafkaChannel> channels;
//...
}
KafkaChannel底层又封装了java.nio.channels.SocketChannel，所以本质就是利用了Java NIO来完成底层的网络通信，整个结构是下面这样的：
2.2 注册监听事件
我们再来看Selector是如何与Broker建立连接的，本质就是些Java NIO的代码，熟悉NIO编程的童鞋对这块应该不会陌生：
// Selector.java
private final Map<String, KafkaChannel> channels; //Channel缓存
public void connect(String id, InetSocketAddress address,
int sendBufferSize, int receiveBufferSize) throws IOException {
if (this.channels.containsKey(id))
throw new IllegalStateException("There is already a connection for id " + id);
// 创建一个SocketChannel
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
// 非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
Socket socket = socketChannel.socket();
// keepalive = true，表示这是一个保活连接
socket.setKeepAlive(true);
// 发送缓冲区
if (sendBufferSize != Selectable.USE_DEFAULT_BUFFER_SIZE)
socket.setSendBufferSize(sendBufferSize);
// 接受缓冲区
if (receiveBufferSize != Selectable.USE_DEFAULT_BUFFER_SIZE)
socket.setReceiveBufferSize(receiveBufferSize);
// 设置TcpNoDelay=true，表示不对数据包进行拼接，而是立即发送
socket.setTcpNoDelay(true);
// 尝试建立连接，非阻塞模式下会立即返回，connected=false
boolean connected;
try {
connected = socketChannel.connect(address);
} catch (UnresolvedAddressException e) {
socketChannel.close();
throw new IOException("Can't resolve address: " + address, e);
} catch (IOException e) {
socketChannel.close();
throw e;
}
// 向java.nio.channels.Selector注册SocketChannel，监听OP_CONNECT事件
SelectionKey key = socketChannel.register(nioSelector, SelectionKey.OP_CONNECT);
// 构造一个KafkaChannel
KafkaChannel channel;
try {
channel = channelBuilder.buildChannel(id, key, maxReceiveSize);
} catch (Exception e) {
try {
socketChannel.close();
} finally {
key.cancel();
}
throw new IOException("Channel could not be created for socket " + socketChannel, e);
}
// 关联KafkaChannel和SelectionKey
key.attach(channel);
// 缓存Channel，也就是每一个Broker对应一个KafkaChannel
this.channels.put(id, channel);
//...
}
上述代码的目的就是创建SocketChannel，注册到Selector上，然后通过SelectionKey关联，可以用下面这张图描述：
有几个需要特别关注的地方：
- SocketChannel配置为“非阻塞”模式时，连接建立是异步的，Selector会监听SocketChannel上的OP_CONNECT事件，当有该事件发生时会获取到一个对应的SelectionKey，所以真正建立连接的地方在
Selector.pool()方法中，这个后面会讲； - SocketChannel的
keepalive，设置keepalive=true之后，如果一段时间内客户端和服务端没有任何通信，客户端就会发送一个探测包，根据探测包的结果保持连接、重新连接或者断开连接； - SocketChannel的
tcpNoDelay，这个参数当设置false时表示开启Nagle算法，就会把一些小数据包收集起来，组装成一个大包一次性发送出去。所以，如果设置为true，就代表不对数据包进行组装，立马发送； - Selector会缓存KafkaChannel，每个Broker一个KafkaChannel，代表着客户端与这个Broker之间的连接。KafkaChannel内部封装了一个TransportLayer对象，而TransportLayer又封装了Java NIO原生的SocketChannel和SelectionKey。
Kafka客户端的 NetworkClient 、 Selector 、 KafkaChannel 、 ConnectStates ，这些底层的通信组件是极为值得我们去研究的。因为Kakfa本身作为一个工业级的中间件，经历了无数线上环境的淬炼。所以，如果我们自己的公司要自研底层NIO通信组件，Kafka是一个现成的参考。
2.3 轮询处理
Selector会监听SocketChannel上的OP_CONNECT事件，真正建立连接的操作是通过Selector.poll方法完成的：
在Sender线程的主流程的最后一步会调用NetworkClient.poll()：
// Sender.java
void run(long now) {
//...
// 8.负责真正的网络请求发送
this.client.poll(pollTimeout, now);
}
NetworkClient.poll()首先会根据元数据更新标识，判断是否要更新集群元数据，需要的话就通过 MetadataUpdater 更新；接着，调用Selector.poll()方法轮询SocketChannel上的所有SelectionKey，根据不同事件类型做处理：
// NetworkClient.java
public List<ClientResponse> poll(long timeout, long now) {
// 1.判断是否需要更新元数据，需要的话就更新
long metadataTimeout = metadataUpdater.maybeUpdate(now);
// 2.轮询SocketChannel的事件，有相应的事件（建立连接、准备读、准备写）发生就进行处理
try {
this.selector.poll(Utils.min(timeout, metadataTimeout, requestTimeoutMs));
} catch (IOException e) {
log.error("Unexpected error during I/O", e);
}
// 3.处理响应
long updatedNow = this.time.milliseconds();
List<ClientResponse> responses = new ArrayList<>();
handleAbortedSends(responses);
handleCompletedSends(responses, updatedNow);
handleCompletedReceives(responses, updatedNow);
handleDisconnections(responses, updatedNow);
handleConnections();
handleInitiateApiVersionRequests(updatedNow);
handleTimedOutRequests(responses, updatedNow);
// 4.触发回调函数
for (ClientResponse response : responses) {
try {
response.onComplete();
} catch (Exception e) {
log.error("Uncaught error in request completion:", e);
}
}
return responses;
}
我们重点看Selector.poll()，它的核心逻辑在内部的pollSelectionKeys方法中：
// Selector.java
public void poll(long timeout) throws IOException {
if (timeout < 0)
throw new IllegalArgumentException("timeout should be >= 0");
// 1.各类缓存数据清理
clear();
if (hasStagedReceives() || !immediatelyConnectedKeys.isEmpty())
timeout = 0;
// 2.判断是否已经有就绪Channel
long startSelect = time.nanoseconds();
int readyKeys = select(timeout);
long endSelect = time.nanoseconds();
this.sensors.selectTime.record(endSelect - startSelect, time.milliseconds());
if (readyKeys > 0 || !immediatelyConnectedKeys.isEmpty()) {
// 重点在这里：根据不同事件进行处理
pollSelectionKeys(this.nioSelector.selectedKeys(), false, endSelect);
pollSelectionKeys(immediatelyConnectedKeys, true, endSelect);
}
addToCompletedReceives();
long endIo = time.nanoseconds();
this.sensors.ioTime.record(endIo - endSelect, time.milliseconds());
// 3.关闭长时间空闲的连接
maybeCloseOldestConnection(endSelect);
}
Selector.pollSelectionKeys()就是从底层的java.nio.channels.Selector获取注册的SelectionKey：
private void pollSelectionKeys(Iterable<SelectionKey> selectionKeys,
boolean isImmediatelyConnected,
long currentTimeNanos) {
// 遍历SelectionKey
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
iterator.remove();
// 1.获取关联的KafkaChannel
KafkaChannel channel = channel(key);
sensors.maybeRegisterConnectionMetrics(channel.id());
// 2.idleExpiryManager内部保存了一个LRU Map，用来跟踪剔除最近最少使用的连接
if (idleExpiryManager != null)
idleExpiryManager.update(channel.id(), currentTimeNanos);
try {
// 3.key.isConnectable:发生了可建立连接的事件
if (isImmediatelyConnected || key.isConnectable()) {
// 尝试建立连接
if (channel.finishConnect()) {
// 将连接添加到缓存
this.connected.add(channel.id());
this.sensors.connectionCreated.record();
} else
continue;
}
// 2.已经连接上，但连接还没完全就绪
if (channel.isConnected() && !channel.ready())
// 完成三次握手
channel.prepare();
// 3.连接已经建立，且发生了可读事件
if (channel.ready() && key.isReadable() && !hasStagedReceive(channel)) {
NetworkReceive networkReceive;
while ((networkReceive = channel.read()) != null)
addToStagedReceives(channel, networkReceive);
}
// 4.连接已经建立，且发生了可写事件
if (channel.ready() && key.isWritable()) {
Send send = channel.write();
if (send != null) {
this.completedSends.add(send);
this.sensors.recordBytesSent(channel.id(), send.size());
}
}
// 5.对于无效Key，关闭对应的Channel
if (!key.isValid())
close(channel, true);
} catch (Exception e) {
//...
close(channel, true);
}
}
}
2.4 建立连接
当SelectionKey上发生可建立连接的事件时，客户端最终会通过KafkaChannel.finishConnect()方法完成连接的建立：
// Selector.java
if (isImmediatelyConnected || key.isConnectable()) {
if (channel.finishConnect()) { // 真正建立连接的地方
this.connected.add(channel.id());
this.sensors.connectionCreated.record();
} else
continue;
}
// KafkaChannel.java
public boolean finishConnect() throws IOException {
// 调用了内部的TransportLayer组件，里面又封装了SocketChannel
return transportLayer.finishConnect();
}
底层就是调用Java NIO的SocketChannel.finishConnect()：
public boolean finishConnect() throws IOException {
// 建立连接
boolean connected = socketChannel.finishConnect();
if (connected)
// 如果连接已经建立，则对于当前Channel，后续不关注OP_CONNECT和OP_READ事件
key.interestOps(key.interestOps() & ~SelectionKey.OP_CONNECT | SelectionKey.OP_READ);
return connected;
}
三、总结
本章，我对客户端检查Broker连接状态的底层原理进行了讲解，核心思路就是 检查当前客户端与哪些待筛选的Broker还没有建立TCP长连接 ，如果没有建立连接，Kafka Producer就会在底层通过Java NIO的封装组件尝试建立连接。
标签：node,Sender,Producer,Broker,Selector,源码,NetworkClient,连接,channel From： https://blog.csdn.net/smart_an/article/details/139509293