Netty 线程模型

目前存在的线程模型有：

传统阻塞 I/O 服务模型

模型特点：

• 采用阻塞 IO 模型获取输入的数据
• 每个连接都需要独立的线程完成数据的输入，业务处理，数据返回

模型问题：

• 当并发数很大，就会创建大量的线程，占用很大系统资源
• 连接创建后，如果当前线程暂时没有数据可读，该线程会阻塞在 read 操作上，造成线程资源浪费

Reactor 模型（反应器模式 / 分发者模式 / 通知者模式）

模式特点：

• 基于 I/O 复用模型： 多个连接公用一个阻塞对象，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
• 基于线程池复用线程资源：不必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进行处理，一个线程可以处理多个连接的业务

 说明 ：

• Reactor 模式，通过一个或多个输入同时传递给服务处理器的模式（基于事件驱动）
• 服务器端程序处理传入的多个请求，并将它们同时分派到相应的处理线程，因此 Rector 模式也叫 Dispatcher 模式
• 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），这点是网络服务高并发处理关键

核心组成：

• Reactor:  Reactor 在一个单独的线程中运行， 负责监听和分发事件，分发给适当的处理程序来对IO事件做出反应
• Handlers: 处理程序执行I/O 事件要完成的实际事件

优点：

• 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
• 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
• 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
• 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

Reactor 典型实现

单Reactor 单线程

 说明： 

• Select 是前面 I/O 复用模型介绍的标准网络编程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
• 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
• 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
• 如果不是创建连接事件，则 Reactor 会分发调用连接对应的 Handler 来响应
• Handler 会完成 Read -> 业务处理 -> Send 的完整业务流程

优点：模型简单，没有多线程、进行通信、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，容易导致性能瓶颈
• 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

单Reactor 多线程

说明：

• 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
• 如果建立连接请求，则右 Acceptor 通过 accept 处理连接请， 然后创建一个 Handler 对象处理完成连接后的各种事件
• 如果不是连接请求，则由 reactor 分发调用 连接对应的handler 来处理
• handler 只负责响应事件，不做具体业务处理，通过 read 读取数据后，会分发给后面的 work 线程池的某个线程处理业务
• 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
• handler 收到响应后， 通过 send 将结果返回给 client

优点： 可以充分利用多核 cpu 处理能力

缺点： 多线程数据共享和访问比较复杂， reactor 处理所有事件的监听和响应，在单线程运行，在高并发场景容易出现性能瓶颈。

主从 Reactor 多线程

 说明：

• 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
• 当 Acceptor 连理连接事件后， MainReactor 将连接分配给 SubReactor
• 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
• 当有新事件发生时，subreactor 就会调用对应的handler 处理
• handler 通过 read 读取数据，分发给后面的 worker 线程处理
• worker 线程池分配独立的 work 线程进行业务处理，并返回结果
• handler 收到相应结果后，再通过 send 方法将结果返回给 client
• Reactor 主线程 可以对应多个 Reactor 子线程， 即MainReactor 可以关联多个 SubReactor

 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
• 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

缺点： 编程复杂度较高

案例： Nginx 主从Reactor 多进程模型， Memcached 主从多线程， Netty 主从多线程模型的支持

Netty 模型

简单示意图

 说明：

• BossGroup 线程维护 Selector， 只关注 Accept
• 当接收到 Accept 事件，获得到对应的SocketChannel , 封装成 NIOSocketChannel 并注册到 Worker 线程（事件循环），并进行维护
• 当 Worker 线程监听到 selector 中通道发生自己感兴趣的事件后，就进行处理 （由 handler 来完成， handler 已经加入到通道）

进阶示意图

说明：

Netty 主要基于主从 Reactors 多线程模型，做了一定的改进，其中主从 Reactor 多线程模型有多个 Reactor

详细示意图

 说明：

• Netty 抽象出两组线程池 BossGroup 专门负责接收客户端的链接， WorkerGroup 专门负责网络的读写
• BossGroup 和 WorkerGroup 类型都是 NioEventLoopGroup，NioEvetnLoopGroup 相当于一个事件循环组，这个组中含有多个事件循环，每一个事件循环是NioEventLoop，NioEventLoop 表示一个不断循环的执行处理任务的线程， 每个NioEventLoop 都有一个selector， 用于监听绑定在其上的 socket 的网络通讯，NioEventLoopGroup 可以有多个线程，即可以含有多个NioEventLoop。
• 每个 Boss NioEventLoop循环 执行的步骤

1. 轮询accept事件
2. 处理accept事件，与client 建立连接，生成NioSocketChannel, 并将其注册到某个worker NIOEventLoop 的 selector上
3. 处理任务队列的任务，即runAllTasks

• 每个 Worker NioEventLoop 循环执行的步骤 

1. 轮询 read / write 事件
2. 处理 i/o 事件，即read, write 事件，在对应的NioSocketChannel上处理
3. 处理任务队列的任务，即runAllTasks

• 每个Worker NIOEventLoop 处理业务时，会使用pipeline， pipeline 中包含了channel,即通过pipeline 可以获得对应通道，管道中维护了很多的处理器