Netty基础：Reactor

一、线程模型基本介绍

        不同的线程模型对程序性能的影响非常大，目前存在的线程模型有：传统阻塞I/O线程模型及Reactor线程模型；根据Reactor的数量和处理资源池线程的数量的不同，Reactor线程模型有三种典型的实现：

• 单Reactor单线程
• 单Reactor多线程
• 主从Reactor多线程

        Netty采用的线程模型是基于主从Reactor多线程模型，并做了一些改进，其中主从Reactor多线程模型有多个Reactor。‘

1. 传统阻塞I/O模型

        如下图，传统的阻塞I/O，采用阻塞的方式获取输入的数据；每个连接都需要独立的线程完成数据的输入、业务处理以及数据返回。

        这种模型当并发数很大时，

        1. 就会创建大量的线程，占用很大的系统资源。

        2. 并且连接创建后，如果当前线程暂时没有数据可读，该线程会阻塞到read()操作,造成线程资源的浪费。

二、 Reactor模式

        针对传统阻塞I/O服务模型的两个缺点，Reactor给出了如下的解决方案：

        1. 基于I/O复用模型：多个连接共用一个阻塞对象ServiceHandler，应用程序只需要在一个阻塞对象等待，无需阻塞等待所有连接。当某个连接有新的数据可以处理时，操作系统通知应用程序，线程从阻塞状态返回，开始进行业务处理。

        2. 基于线程池复用线程资源：不必再为每个连接创建线程，将连接完成后的业务处理任务分配给线程池中空闲的线程进行处理，一个线程可以处理多个连接业务。

Reactor模式（分发者模式）

 

        如下图所示，I/O复用结合线程池，就是Reactor模式基本设计思想：

上图说明如下：

1. Reactor模式：通过一个或多个输入同时传递给服务处理器（ServiceHandler）的模式（基于事件驱动）
2. 服务器端程序处理传入的多个请求,并将它们同步分派到相应的处理线程，因此 Reactor 模式也叫 Dispatcher 模式
3. Reactor模式使用 IO 复用监听事件，收到事件后，分发给某个线程（进程），这点就是网络服务器高并发处理关键

关键点是：传统的I/O模式有多个Handler阻塞并且每个连接建立一个线程，而Reactor模式只用一个ServiceHandler阻塞，并将监听所有的I/O事件，将其交给线程池中复用的线程处理！

2.1 Reactor 模式中核心组成：

1. Reactor（也就是ServiceHandler）：Reactor 在一个单独的线程中运行，负责监听和分发事件（即ServiceHandler），分发给适当的处理线程来对 IO 事件做出反应。它就像公司的电话接线员，它接听来自客户的电话并将线路转移到适当的联系人；
2. Handlers（处理线程EventHandler）：处理线程执行 I/O 事件要完成的实际事件，类似于客户想要与之交谈的公司中的实际官员。Reactor 通过调度适当的处理线程来响应 I/O 事件，处理程序执行非阻塞操作。
    

2.2 Reactor 模式分类

        根据Reactor的数量和处理资源池线程的数量不同，有 3 种典型的实现:

2.2.1 单Reactor单线程：

方案说明：

1. Select 是NIO中的标准网络编程 API，可以实现应用程序通过一个阻塞对象监听多路连接请求
2. Reactor 对象通过 Select 监控客户端请求事件，收到事件后通过 Dispatch 进行分发
3. 如果是建立连接请求事件，则由 Acceptor 通过 Accept 处理连接请求，然后创建一个 Handler 对象处理连接完成后的后续业务处理
4. 如果不是建立连接事件，则 Reactor 会分发调用连接对应的 Handler 来响应
5. Handler会完成 Read → 业务处理 → Send 的完整业务流程

        该模式服务器端用一个线程通过多路复用搞定所有的 IO 操作（包括连接，读、写等），编码简单，清晰明了，但是如果客户端连接数量较多，将无法支撑，前面的 NIO 案例就属于这种模型。

优缺点：

• 优点：模型简单，没有多线程、进程通信、竞争的问题，全部都在一个线程中完成
• 缺点：性能问题，只有一个线程，无法完全发挥多核 CPU 的性能。Handler在处理某个连接上的业务时，整个进程无法处理其他连接事件，很容易导致性能瓶颈
   
• 缺点：可靠性问题，线程意外终止，或者进入死循环，会导致整个系统通信模块不可用，不能接收和处理外部消息，造成节点故障
• 使用场景：客户端的数量有限，业务处理非常快速，比如 Redis 在业务处理的时间复杂度 O(1) 的情况

2.2.2 单 Reactor 多线程

方案说明：

1. Reactor 对象通过 Select 监控客户端请求事件，收到事件后，通过 Dispatch 进行分发
2. 如果是建立连接请求，则由 Acceptor 通过 accept 处理连接请求，然后创建一个 Handler 对象处理完成连接后的各种事件
3. 如果不是连接请求，则由 Reactor 分发调用连接对应的 handler 来处理（也就是说连接已经建立，后续客户端再来请求，那基本就是数据请求了，直接调用之前为这个连接创建好的handler来处理）
4. handler 只负责响应事件，不做具体的业务处理（这样不会使handler阻塞太久），通过 read 读取数据后，会分发给后面的 worker 线程池的某个线程处理业务。（业务处理是最费时的，所以将业务处理交给线程池去执行）
5. worker线程池会分配独立线程完成真正的业务，并将结果返回给handler
6. handler 收到响应后，通过send将结果返回给client

方案优缺点分析

1. 优点：可以充分的利用多核 cpu 的处理能力
2. 缺点：多线程数据共享和访问比较复杂。Reactor 承担所有的事件的监听和响应，它是单线程运行，在高并发场景容易出现性能瓶颈。也就是说Reactor主线程承担了过多的事。

2.2.3 主从 Reactor 多线程

        针对单 Reactor 多线程模型中，Reactor 在单线程中运行，高并发场景下容易成为性能瓶颈，可以让 Reactor 在多线程中运行。

         其中，Reactor子线程可以不止一个（若是只有一个Reactor子线程，其实也和单Reactor没什么区别！），如下图所示，主Reactor只管建立连接，并且其下有多个Reactor子线程，用于处理连接的I/O操作！

 方案说明：

1. Reactor 主线程 MainReactor 对象通过 select 监听连接事件，收到事件后，通过 Acceptor 处理连接事件；
2. 当 Acceptor 处理连接事件后，MainReactor 将连接分配给 SubReactor;
3. subreactor 将连接加入到连接队列进行监听，并创建 handler 进行各种事件处理；
4. 当有新事件发生时，subreactor 就会调用对应的 handler 处理；
5. worker 线程池分配独立的 worker 线程进行业务处理，并返回结果;
6. handler 收到响应的结果后，再通过 send 将结果返回给 client;
7. Reactor 主线程可以对应多个 Reactor 子线程，即 MainRecator 可以关联多个 SubReactor

Scalable IO in Java 对 Multiple Reactors 的原理图解：

 方案优缺点说明：

1. 优点：父线程与子线程的数据交互简单职责明确，父线程只需要接收新连接，子线程完成后续的业务处理。
2. 优点：父线程与子线程的数据交互简单，Reactor 主线程只需要把新连接传给子线程，子线程无需返回数据。
3. 缺点：编程复杂度较高。

2.3 Reactor 模式的优点

        1. 响应快，不必为单个同步时间所阻塞，虽然 Reactor 本身依然是同步的（比如你第一个SubReactor阻塞了，我可以调下一个 SubReactor为客户端服务）
        2. 可以最大程度的避免复杂的多线程及同步问题，并且避免了多线程/进程的切换开销
        3. 扩展性好，可以方便的通过增加 Reactor 实例个数来充分利用 CPU 资源
        4. 复用性好，Reactor 模型本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性