聊聊 WebFlux 线程调度-轻识

前言

如果你不太了解 Project Reactor，以及非阻塞 IO 编程。强烈建议阅读我的前几篇文章

「聊聊 IO 多路复用」
「响应式编程入门之 Project Reactor」
「Project Reactor：OptimizableOperator 原理」

背景

今天在用 WebFlux 开发时偶然发现了一个问题，代码简化为如下

      @Slf4j
@RestController
@SpringBootApplication
public class WebfluxScheduleApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(WebfluxScheduleApplication.class, args);
    }

    @Component
    public static class LogFilter implements WebFilter {

        @NotNull
        @Override
        public Mono<Void> filter(@NotNull ServerWebExchange serverWebExchange,
                                 WebFilterChain webFilterChain) {
            log.info("filter start");
            return webFilterChain.filter(serverWebExchange)
                    .doFinally(signalType -> log.info("filter end"));
        }
    }

    @GetMapping("subscribeOn")
    public Mono<String> subscribeOn() {
        return Mono.fromCallable(() -> {
                    String result = "hello world";
                    log.info("{}", result);
                    return result;
                }).subscribeOn(Schedulers.boundedElastic())
                .doOnNext(result -> log.info("doOnNext: {}", result));
    }

}

在 /subscribeOn 接口中，我通过 Mono.subscribeOn 将当前发布者调度到 boundedElastic 线程。按照我对 Reactor 的理解，后续所有的消费逻辑都应该在 boundedElastic 上进行。

但是实际程序运行效果如下：

      2023-12-14 22:19:17 [reactor-http-nio-2] INFO  c.g.s.WebfluxScheduleApplication - filter start
2023-12-14 22:19:17 [boundedElastic-1] INFO  c.g.s.WebfluxScheduleApplication - hello world
2023-12-14 22:19:17 [boundedElastic-1] INFO  c.g.s.WebfluxScheduleApplication - doOnNext: hello world
2023-12-14 22:19:17 [reactor-http-nio-2] INFO  c.g.s.WebfluxScheduleApplication - filter end

与预期不一致的是 filter end 这句日志并没有在 boundedElastic-1 线程输出，而是输出在了 reactor-http-nio-2 线程。

更诡异的是，当我测试了十几次后发现，filter start 和 filter end 这两句日志，永远都在同一个线程。

分析

看了几个晚上的 Reactor 源码实在是没有找到 Webflux 在什么地方进行的线程调度，并且我对 Scheduler 添加了 hook 和断点，也就是说只要有线程调度，一定能被我 debug 到，但是发现并没有走到我的 hook 中。这个时候其实已经证明了不是在 Reactor 这一层做的线程调度。

就在我即将放弃的时候，突然想到，会不会和 Webflux 底层的 Netty 有关系呢？通过 Debug 后发现真的和 Netty 有关系

Netty

我们先了解 Netty 以下几点

NioEventLoop：Netty 实现非阻塞 IO 的核心，由于不是本文重点，就不过多赘述了
Channel：可以理解为是 Socket 的包装，可以通过 Channel 进行 Socket 的读写操作
一个 NioEventLoop 会关联多个 Channel
每个 NioEventLoop 会在一个专门的线程上执行

这里我就直接说结论了，Netty 中一个 Channel（Socket）的读写操作全部在单线程上完成的，即使中间发生了线程调度也不会影响这个结论

简单讲讲这是怎么实现的

首先如何保证 NioEventLoop 只在一个线程上执行？

很简单，NioEventLoop 的 run() 就是一个死循环，不断地处理已经就绪的 IO 事件和提交到 NioEventLoop 中的 Task。

将 NioEventLoop 的 run() 提交到线程池，就实现了 NioEventLoop 只在一个专门的线程上执行

发生线程调度后，如何保证 Channel 的读写在同一个线程？

NioEventLoop 中包含一个 taskQueue 属性。上面说过了 NioEventLoop 会不断执行 “提交到 NioEventLoop 中的 Task”，这个 Task 会存储在 taskQueue 中。

由于 NioEventLoop 和 Channel 存在一个关联关系。Channel 可以找到自己对应的 NioEventLoop，在执行 Channel 写操作时，会将写操作转换成一个 Task 提交到 NioEventLoop 中，这就保证了 Channel 的读写在同一个线程

Netty 将读写操作控制在单线程上，也解决了用户使用时需要考虑线程切换的问题

通过 Debug 验证

当 Webflux 处理完整个请求时，会调用 Netty 的 Channel.writeAndFlush，可以看到该方法调用时线程还是处于 boundedElastic 线程，与我最开始的猜想是一致的。

writeAndFlush 方法最终会将 Task 添加到 NioEventLoop 的队列中。当 Socket 写操作结束后，Netty 通过 Listener 通知写成功事件，会执行到 Reactor 的 onComplete，最终反应到我们代码里就是执行了 Filter 中的 doFinally 输出日志。

至此，问题解决。

最后

本文完整 demo

https://github.com/TavenYin/taven-springboot-learning/tree/master/springboot3-webflux-schedule