Reactor模型讲解
一、什么是Reactor模型
反应器设计模式(Reactor pattern)是一种为处理并发服务请求，并将请求提交到一个或
者多个服务处理程序的事件设计模式。当客户端请求抵达后，服务处理程序使用多路分配策略，由一个非阻塞的线程来接收所有的请求，然后派发这些请求至相关的工作线程进行处理。
关于reactor 是什么，我们先从wiki上看下:
The reactor design pattern is an event handling pattern for handling service requests delivered concurrently to a service handler by one or more inputs. The service handler then demultiplexes the incoming requests and dispatches them synchronously to the associated request handlers.
从上述文字中我们可以看出以下关键点 ：
- 事件驱动（event handling）
- 可以处理一个或多个输入源（one or more inputs）
- 通过Service Handler同步的将输入事件（Event）采用多路复用分发给相应的Request Handler（多个）处理
自POSA2 中的关于Reactor Pattern 介绍中，我们了解了Reactor 的处理方式:
- 同步的等待多个事件源到达（采用select()实现）
- 将事件多路分解以及分配相应的事件服务进行处理，这个分派采用server集中处理（dispatch）
- 分解的事件以及对应的事件服务应用从分派服务中分离出去（handler）
二、为什么要用Reactor
常见的网络服务中，如果每一个客户端都维持一个与登陆服务器的连接。那么服务器将维护多个和客户端的连接以出来和客户端的contnect 、read、write ，特别是对于长链接的服务，有多少个c端，就需要在s端维护同等的IO连接。这对服务器来说是一个很大的开销。
三、Reactor的组成
首先我们基于Reactor Pattern 处理模式中，定义以下三种角色:
- Reactor 将I/O事件分派给对应的Handler
- Acceptor 处理客户端新连接，并分派请求到处理器链中
- Handlers 执行非阻塞读/写 任务
这是最基本的单Reactor单线程模型。其中Reactor线程，负责多路分离套接字，有新连接到来触发connect 事件之后，交由Acceptor进行处理，有IO读写事件之后交给hanlder 处理。
Acceptor主要任务就是构建handler ，在获取到和client相关的SocketChannel之后 ，绑定到相应的hanlder上，对应的SocketChannel有读写事件之后，基于racotor 分发,hanlder就可以处理了（所有的IO事件都绑定到selector上，有Reactor分发）。
该模型 适用于处理器链中业务处理组件能快速完成的场景。不过，这种单线程模型不能充分利用多核资源，所以实际使用的不多。
四、Reactor模型的发展与种类
4.1 单Reactor单线程模型（也叫单线程模式）
这是最简单的单Reactor单线程模型。Reactor线程是个多面手，负责多路分离套接字，Accept新连接，并分派请求到Handler处理器中。
下面的图，来自于“Scalable IO in Java”，和上面的图的意思，差不多。Reactor和Hander 处于一条线程执行。
顺便说一下，可以将上图的accepter，看做是一种特殊的handler。
4.1.1 单线程Reactor的参考代码
“Scalable IO in Java”，实现了一个单线程Reactor的参考代码，Reactor的代码如下：
package com.crazymakercircle.ReactorModel;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
class Reactor implements Runnable
{
final Selector selector;
final ServerSocketChannel serverSocket;
Reactor(int port) throws IOException
{ //Reactor初始化
selector = Selector.open();
serverSocket = ServerSocketChannel.open();
serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
//非阻塞
serverSocket.configureBlocking(false);
//分步处理,第一步,接收accept事件
SelectionKey sk =
serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
//attach callback object, Acceptor
sk.attach(new Acceptor());
}
public void run()
{
try
{
while (!Thread.interrupted())
{
selector.select();
Set selected = selector.selectedKeys();
Iterator it = selected.iterator();
while (it.hasNext())
{
//Reactor负责dispatch收到的事件
dispatch((SelectionKey) (it.next()));
}
selected.clear();
}
} catch (IOException ex)
{ /* ... */ }
}
void dispatch(SelectionKey k)
{
Runnable r = (Runnable) (k.attachment());
//调用之前注册的callback对象
if (r != null)
{
r.run();
}
}
// inner class
class Acceptor implements Runnable
{
public void run()
{
try
{
SocketChannel channel = serverSocket.accept();
if (channel != null)
new Handler(selector, channel);
} catch (IOException ex)
{ /* ... */ }
}
}
}Handler的代码如下：
package com.crazymakercircle.ReactorModel;
import com.crazymakercircle.config.SystemConfig;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
class Handler implements Runnable
{
final SocketChannel channel;
final SelectionKey sk;
ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.INPUT_SIZE);
ByteBuffer output = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.SEND_SIZE);
static final int READING = 0, SENDING = 1;
int state = READING;
Handler(Selector selector, SocketChannel c) throws IOException
{
channel = c;
c.configureBlocking(false);
// Optionally try first read now
sk = channel.register(selector, 0);
//将Handler作为callback对象
sk.attach(this);
//第二步,注册Read就绪事件
sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
selector.wakeup();
}
boolean inputIsComplete()
{
/* ... */
return false;
}
boolean outputIsComplete()
{
/* ... */
return false;
}
void process()
{
/* ... */
return;
}
public void run()
{
try
{
if (state == READING)
{
read();
}
else if (state == SENDING)
{
send();
}
} catch (IOException ex)
{ /* ... */ }
}
void read() throws IOException
{
channel.read(input);
if (inputIsComplete())
{
process();
state = SENDING;
// Normally also do first write now
//第三步,接收write就绪事件
sk.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
}
}
void send() throws IOException
{
channel.write(output);
//write完就结束了, 关闭select key
if (outputIsComplete())
{
sk.cancel();
}
}
}这两段代码，是建立在JAVA NIO的基础上的，这两段代码建议一定要看懂。可以在IDE中去看源码，这样直观感觉更佳。
4.1.2 单线程模式的缺点
- 当其中某个 handler 阻塞时， 会导致其他所有的 client 的 handler 都得不到执行， 并且更严重的是， handler 的阻塞也会导致整个服务不能接收新的 client 请求(因为 acceptor 也被阻塞了)。 因为有这么多的缺陷， 因此单线程Reactor 模型用的比较少。这种单线程模型不能充分利用多核资源，所以实际使用的不多。
- 因此，单线程模型仅仅适用于handler 中业务处理组件能快速完成的场景。
4.2 单Reactor多线程模型（也叫多线程模式）
4.2.1 基于线程池的改进
在线程Reactor模式基础上，做如下改进：
- 将Handler处理器的执行放入线程池，多线程进行业务处理。
- 而对于Reactor而言，可以仍为单个线程。如果服务器为多核的CPU，为充分利用系统资源，可以将Reactor拆分为两个线程。
一个简单的图如下：
4.2.2 改进后的完整示意图
下面的图，来自于“Scalable IO in Java”，和上面的图的意思，差不多，只是更加详细。Reactor是一条独立的线程，Hander 处于线程池中执行。
4.2.3 多线程模式参考代码
“Scalable IO in Java”，的多线程Reactor的参考代码，是基于单线程做一个线程池的改进，改进的Handler的代码如下：
package com.crazymakercircle.ReactorModel;
import com.crazymakercircle.config.SystemConfig;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
class MthreadHandler implements Runnable
{
final SocketChannel channel;
final SelectionKey selectionKey;
ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.INPUT_SIZE);
ByteBuffer output = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.SEND_SIZE);
static final int READING = 0, SENDING = 1;
int state = READING;
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
static final int PROCESSING = 3;
MthreadHandler(Selector selector, SocketChannel c) throws IOException
{
channel = c;
c.configureBlocking(false);
// Optionally try first read now
selectionKey = channel.register(selector, 0);
//将Handler作为callback对象
selectionKey.attach(this);
//第二步,注册Read就绪事件
selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
selector.wakeup();
}
boolean inputIsComplete()
{
/* ... */
return false;
}
boolean outputIsComplete()
{
/* ... */
return false;
}
void process()
{
/* ... */
return;
}
public void run()
{
try
{
if (state == READING)
{
read();
}
else if (state == SENDING)
{
send();
}
} catch (IOException ex)
{ /* ... */ }
}
synchronized void read() throws IOException
{
// ...
channel.read(input);
if (inputIsComplete())
{
state = PROCESSING;
//使用线程pool异步执行
pool.execute(new Processer());
}
}
void send() throws IOException
{
channel.write(output);
//write完就结束了, 关闭select key
if (outputIsComplete())
{
selectionKey.cancel();
}
}
synchronized void processAndHandOff()
{
process();
state = SENDING;
// or rebind attachment
//process完,开始等待write就绪
selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
}
class Processer implements Runnable
{
public void run()
{
processAndHandOff();
}
}
}4.3 多Reactor多线程模型（也叫主从多线程模式）
第三种模型比起第二种模型，是将Reactor分成两部分，
- mainReactor负责监听server socket，用来处理新连接的建立，将建立的socketChannel指定注册给subReactor。
- subReactor维护自己的selector, 基于mainReactor 注册的socketChannel多路分离IO读写事件，读写网 络数据，对业务处理的功能，另其扔给worker线程池来完成。
第三种模型中，我们可以看到，mainReactor 主要是用来处理网络IO 连接建立操作，通常一个线程就可以处理，而subReactor主要做和建立起来的socket做数据交互和事件业务处理操作，它的个数上一般是和CPU个数等同，每个subReactor一个县城来处理。
此种模型中，每个模块的工作更加专一，耦合度更低，性能和稳定性也大量的提升，支持的可并发客户端数量可达到上百万级别。
关于此种模型的应用，目前有很多优秀的矿建已经在应用了，比如mina 和netty 等。上述中去掉线程池的第三种形式的变种，也 是Netty NIO的默认模式。下一节我们将着重讲解netty的架构模式。
4.3.1 主从多线程模式参考代码
对于多个CPU的机器，为充分利用系统资源，将Reactor拆分为两部分。代码如下：
package com.crazymakercircle.ReactorModel;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
class MthreadReactor implements Runnable
{
//subReactors集合, 一个selector代表一个subReactor
Selector[] selectors=new Selector[2];
int next = 0;
final ServerSocketChannel serverSocket;
MthreadReactor(int port) throws IOException
{ //Reactor初始化
selectors[0]=Selector.open();
selectors[1]= Selector.open();
serverSocket = ServerSocketChannel.open();
serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
//非阻塞
serverSocket.configureBlocking(false);
//分步处理,第一步,接收accept事件
SelectionKey sk =
serverSocket.register( selectors[0], SelectionKey.OP_ACCEPT);
//attach callback object, Acceptor
sk.attach(new Acceptor());
}
public void run()
{
try
{
while (!Thread.interrupted())
{
for (int i = 0; i <2 ; i++)
{
selectors[i].select();
Set selected = selectors[i].selectedKeys();
Iterator it = selected.iterator();
while (it.hasNext())
{
//Reactor负责dispatch收到的事件
dispatch((SelectionKey) (it.next()));
}
selected.clear();
}
}
} catch (IOException ex)
{ /* ... */ }
}
void dispatch(SelectionKey k)
{
Runnable r = (Runnable) (k.attachment());
//调用之前注册的callback对象
if (r != null)
{
r.run();
}
}
class Acceptor { // ...
public synchronized void run() throws IOException
{
SocketChannel connection =
serverSocket.accept(); //主selector负责accept
if (connection != null)
{
new Handler(selectors[next], connection); //选个subReactor去负责接收到的connection
}
if (++next == selectors.length) next = 0;
}
}
}4.3.2 主从多线程模式优缺点
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；
- 编程相对简单，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；
- 可扩展性，可以方便的通过增加Reactor实例个数来充分利用CPU资源；
- 可复用性，reactor框架本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性；
缺点
- 相比传统的简单模型，Reactor增加了一定的复杂性，因而有一定的门槛，并且不易于调试。
- Reactor模式需要底层的Synchronous Event Demultiplexer支持，比如Java中的Selector支持，操作系统的select系统调用支持，如果要自己实现Synchronous Event Demultiplexer可能不会有那么高效。
- Reactor模式在IO读写数据时还是在同一个线程中实现的，即使使用多个Reactor机制的情况下，那些共享一个Reactor的Channel如果出现一个长时间的数据读写，会影响这个Reactor中其他Channel的相应时间，比如在大文件传输时，IO操作就会影响其他Client的相应时间，因而对这种操作，使用传统的Thread-Per-Connection或许是一个更好的选择，或则此时使用改进版的Reactor模式如Proactor模式。