剖析Spring WebFlux反应式编程设计及工作原理

前言

Spring 5发布有两年了，随Spring 5一起发布了一个和Spring WebMvc同级的Spring WebFlux。这是一个支持反应式编程模型的新框架体系。反应式模型区别于传统的MVC最大的不同是异步的、事件驱动的、非阻塞的，这使得应用程序的并发性能会大大提高，单位时间能够处理更多的请求。这里不讲WebFlux是怎么用的，有什么用，这类文章网上有太多了，而且都写的非常不错。下面主要看下WebFlux是怎么从无到有，框架怎么设计的，已期能够更灵活的使用WebFlux。

接口抽象

Spring最牛逼的地方就是，无论啥东西，都可以无缝的集成到Spring。这得益于Spring体系优良的抽象封装能力。WebFlux框架也一样，底层实现其实不是Spring的，它依赖reactor和netty等。Spring做的就是通过抽象和封装，把reactor的能力通过你最熟悉不过的Controller来使用。而且不局限于此，除了支持和Spring Mvc一样的控制器编码模式，还支持路由器模式（RouterFunctions），还支持端点模式（EndPoint）等。WebFlux所有功能其实内部只由几个抽象类构建而成：

org.springframework.boot.web.reactive.server.ReactiveWebServerFactory

org.springframework.boot.web.server.WebServer

org.springframework.http.server.reactive.HttpHandler

org.springframework.web.reactive.HandlerMapping

org.springframework.web.server.WebHandler

WebServer

我们从最底层往上层剖析，WebServer见名之意，就是Reacive服务器的抽象类，它定义了服务的基本方法行为，包含启动，停止等接口。结构如下：

public interface WebServer {
	void start() throws WebServerException;
	void stop() throws WebServerException;
	int getPort();
}

Spring默认有五个WebServer的实现，默认的不特别指定情况下，在spring-boot-starter-webflux自带的是Netty的实现，其实现类如下：

ReactiveWebServerFactory

对应WebServer，每个实现都会有一个工厂类对应，主要准备创建WebServer实例的资源，如NettyReactiveWebServerFactory生产WebServer方法：

public WebServer getWebServer(HttpHandler httpHandler) {
		HttpServer httpServer = createHttpServer();
		ReactorHttpHandlerAdapter handlerAdapter = new ReactorHttpHandlerAdapter(
				httpHandler);
		return new NettyWebServer(httpServer, handlerAdapter, this.lifecycleTimeout);
	}

可以看到，在创建WebServer实例时，传入了一个入参，HttpHandler。而且进而传入了一个HttpHandlerAdapter实例里，这是因为每个WebServer的接收处理接口的适配器是不一样的，在每个不同的WebServer工厂里通过不过的适配器去适配不同的实现。最后转化成统一设计的HttpHandler里，见下面。

HttpHandler

接下来看下HttpHandler，上面在创建WebServer的时候，传了一个入参，类型就是Httphandler。为了适配不同的WebServer请求响应体，Spring设计了HttpHandler用来转化底层的Http请求响应语义，用来接收处理底层容器的Http请求。其结构如下：

public interface HttpHandler {
	Monohandle(ServerHttpRequest request, ServerHttpResponse response);
}

如在Netty的实现中，Netty接收请求处理的适配器ReactorHttpHandlerAdapter的apply中转化的伪代码如下：

public Monoapply(HttpServerRequest reactorRequest, HttpServerResponse reactorResponse) {
		NettyDataBufferFactory bufferFactory = new NettyDataBufferFactory(reactorResponse.alloc());
		try {
			ReactorServerHttpRequest request = new ReactorServerHttpRequest(reactorRequest, bufferFactory);
			ServerHttpResponse response = new ReactorServerHttpResponse(reactorResponse, bufferFactory);
			if (request.getMethod() == HttpMethod.HEAD) {
				response = new HttpHeadResponseDecorator(response);
			}
			return this.httpHandler.handle(request, response)
					.doOnError(ex -> logger.trace(request.getLogPrefix() + "Failed to complete: " + ex.getMessage()))
					.doOnSuccess(aVoid -> logger.trace(request.getLogPrefix() + "Handling completed"));
		}
}

WebHandler其实一般来讲设计到HttpHandler这一层级基本就差不多了，有一致的请求体和响应体了。但是Spring说还不够，对Web开发来讲不够简洁，就又造了一个WebHandler，WebHandler架构更简单，如下：

public interface WebHandler {
	Monohandle(ServerWebExchange exchange);
}

这回够简洁了，只有一个入参，那请求提和响应体去哪里了呢？被包装到ServerWebExchange中了。我么看下当HttpHandler接收到请求后，是怎么处理然后在调用WebHandler的，最终处理HttpHandler实现是HttpWebHandlerAdapter.java,通过其内部的createExchange方法将请求和响应体封装在ServerWebExchange中了。其handle代码如下：

public Monohandle(ServerHttpRequest request, ServerHttpResponse response) {
		if (this.forwardedHeaderTransformer != null) {
			request = this.forwardedHeaderTransformer.apply(request);
		}
		ServerWebExchange exchange = createExchange(request, response);
		LogFormatUtils.traceDebug(logger, traceOn ->
				exchange.getLogPrefix() + formatRequest(exchange.getRequest()) +
						(traceOn ? ", headers=" + formatHeaders(exchange.getRequest().getHeaders()) : ""));
		return getDelegate().handle(exchange)
				.doOnSuccess(aVoid -> logResponse(exchange))
				.onErrorResume(ex -> handleUnresolvedError(exchange, ex))
				.then(Mono.defer(response::setComplete));
	}

HandlerMapping首先看下HandlerMapping的构造,可以看到就是根据web交换器返回了一个Handler对象

public interface HandlerMapping {
	String BEST_MATCHING_HANDLER_ATTRIBUTE = HandlerMapping.class.getName() + ".bestMatchingHandler";
	String BEST_MATCHING_PATTERN_ATTRIBUTE = HandlerMapping.class.getName() + ".bestMatchingPattern";
	String PATH_WITHIN_HANDLER_MAPPING_ATTRIBUTE = HandlerMapping.class.getName() + ".pathWithinHandlerMapping";
	String URI_TEMPLATE_VARIABLES_ATTRIBUTE = HandlerMapping.class.getName() + ".uriTemplateVariables";
	String MATRIX_VARIABLES_ATTRIBUTE = HandlerMapping.class.getName() + ".matrixVariables";
	String PRODUCIBLE_MEDIA_TYPES_ATTRIBUTE = HandlerMapping.class.getName() + ".producibleMediaTypes";
	MonogetHandler(ServerWebExchange exchange);
}

上面的“请求“已经到WebHandler了，那么最终是怎么到我们定义的控制器接口的呢？其实，没有HandlerMapping,Spring WebFlux的功能也是完整的，也是可编程的，因为可以基于WebHandler直接编码。我们最弄的一个网关最后就是直接走自定义的WebHandler，根本没有HandlerMapping的什么事情，但是你这么做的话就失去了Spring编码的友好性了。WebFlux的初始化过程中，会去Spring上下文中找name是“webHandler”的的WebHandler实现。默认情况下，Spring会在上下文中初始化一个DispatcherHandler.java的实现，Bean的name就是“webHandler”。这个里面维护了一个HandlerMapping列表，当请求过来时会迭代HandlerMapping列表，返回一个WebHandler处理，代码如下：

public Monohandle(ServerWebExchange exchange) {
		if (this.handlerMappings == null) {
			return Mono.error(HANDLER_NOT_FOUND_EXCEPTION);
		}
		return Flux.fromIterable(this.handlerMappings)
				.concatMap(mapping -> mapping.getHandler(exchange))
				.next()
				.switchIfEmpty(Mono.error(HANDLER_NOT_FOUND_EXCEPTION))
				.flatMap(handler -> invokeHandler(exchange, handler))
				.flatMap(result -> handleResult(exchange, result));
	}

上面mapping的内部结构如下：

上面箭头指向的地方说明了为什么WebFlux支持控制器和路由器模式模式的编码，因为他们分别有实现的HandlerMapping，能够在WebHandler的handler里路由到具体的业务方法里。红框中正是通过@Controller和@ResultMaping定义的接口信息。

启动流程分析

上面介绍了五个主要的抽象接口定义，以及功能。这五个接口在Spring WebFlux里是灵魂一样的存在。不过想要彻底的搞懂Web Flux的设计以及实现原理，仅仅了解上面这些接口定义是远远不够的，看完上面接口的分析肯定有中模糊的似懂非懂的感觉，不着急，接下来分析下，在Spring Boot环境中，Spring WebFlux的启动流程。

ReactiveWebServerApplicationContext

WebFlux的启动都在Reactive的上下文中完成，和WebMvc类似，Mvc也有一个ServletWebServerApplicationContext，他们是同宗同脉的。

ReactiveWebServerApplicationContext还有一个父类AnnotationConfigReactiveWebServerApplicationContext

在Spring boot启动中，创建的就是这个父类的实例。

在Spring boot的run()方法中创建上下文时有如下代码：

protected ConfigurableApplicationContext createApplicationContext() {
		Class contextClass = this.applicationContextClass;
		if (contextClass == null) {
			try {
				switch (this.webApplicationType) {
				case SERVLET:
					contextClass = Class.forName(DEFAULT_SERVLET_WEB_CONTEXT_CLASS);
					break;
				case REACTIVE:
					contextClass = Class.forName(DEFAULT_REACTIVE_WEB_CONTEXT_CLASS);
					break;
				default:
					contextClass = Class.forName(DEFAULT_CONTEXT_CLASS);
				}
			}
			catch (ClassNotFoundException ex) {
				throw new IllegalStateException(
						"Unable create a default ApplicationContext, "
								+ "please specify an ApplicationContextClass",
						ex);
			}
		}
		return (ConfigurableApplicationContext) BeanUtils.instantiateClass(contextClass);
	}

可以看到，当webApplicationType是REACTIVE时，加载的就是DEFAULT_REACTIVE_WEB_CONTEXT_CLASS。webApplicationType类型是通过识别你加载了哪个依赖来做的。熟悉Spring启动流程的同学都知道，基础的Spring上下文是在AbstractApplicationContext的refresh()方法内完成的，针对不同的上下文文实现实例还会有一个onRefresh()方法，完成一些特定的Bean的实例化，如WebFlux的上下文实例就在onRefresh()中完成了WebServer的创建：

protected void onRefresh() {
		super.onRefresh();
		try {
			createWebServer();
		}
		catch (Throwable ex) {
			throw new ApplicationContextException("Unable to start reactive web server",
					ex);
		}
	}
	private void createWebServer() {
		ServerManager serverManager = this.serverManager;
		if (serverManager == null) {
			this.serverManager = ServerManager.get(getWebServerFactory());
		}
		initPropertySources();
	}

文末WebFlux里面启动流程太复杂，全盘脱出写的太长严重影响阅读体验。所以上面权当抛砖引玉，开一个好头。不过，WebFlux的启动流程节点博主都已分析并整理成流程图了，结合上面的接口设计分析，搞懂WebFlux的设计及工作原理应该冒点问题

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