Netty入门教程 - 线程模型

JDK 原生 NIO 程序的问题

JDK 原生也有一套网络应用程序 API，但是存在一系列问题，主要如下：

1. NIO 的类库和 API 繁杂，使用麻烦：你需要熟练掌握 Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer 等。

2. 需要具备其他的额外技能做铺垫：例如熟悉 Java 多线程编程，因为 NIO 编程涉及到 Reactor 模式，你必须对多线程和网路编程非常熟悉，才能编写出高质量的 NIO 程序。

3. 可靠性能力补齐，开发工作量和难度都非常大：例如客户端面临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常码流的处理等等。NIO 编程的特点是功能开发相对容易，但是可靠性能力补齐工作量和难度都非常大。

4. JDK NIO 的 Bug：例如臭名昭著的 Epoll Bug，它会导致 Selector 空轮询，最终导致 CPU 100%。官方声称在 JDK 1.6 版本的 update 18 修复了该问题，但是直到 JDK 1.7 版本该问题仍旧存在，只不过该 Bug 发生概率降低了一些而已，它并没有被根本解决。

Netty 的特点

Netty 对 JDK 自带的 NIO 的 API 进行了封装，解决了上述问题。

Netty的主要特点有：

1. 设计优雅：适用于各种传输类型的统一 API 阻塞和非阻塞 Socket；基于灵活且可扩展的事件模型，可以清晰地分离关注点；高度可定制的线程模型 - 单线程，一个或多个线程池；真正的无连接数据报套接字支持（自 3.1 起）。

2. 使用方便：详细记录的 Javadoc，用户指南和示例；没有其他依赖项，JDK 5（Netty 3.x）或 6（Netty 4.x）就足够了。

3. 高性能、吞吐量更高：延迟更低；减少资源消耗；最小化不必要的内存复制。

4. 安全：完整的 SSL/TLS 和 StartTLS 支持。

5. 社区活跃、不断更新：社区活跃，版本迭代周期短，发现的 Bug 可以被及时修复，同时，更多的新功能会被加入。

Netty 高性能设计

不同的线程模式，对程序的性能有很大影响，为了搞清Netty 线程模式，我们来系统的讲解下 各个线程模式， 最后看看Netty 线程模型有什么优越性

目前存在的线程模式

• 传统阻塞I/O服务模型
• Reactor模式

传统阻塞 I/O 服务模型

1. 工作原理
   
   与BIO模式相同，即是一个线程处理一个进程来处理
   进来一个请求后，会使用一个线程来处理该对象，用一个Handler来对其做业务处理
2. 模型特点

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

3. 问题分析

• 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，造成线程资源浪费

Reactor 模式

工作原理

1. 基于 I/O 复用模型：多个连接共用一个阻塞对象，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Reactor 对应的叫法: 1. 反应器模式 2. 分发者模式(Dispatcher) 3. 通知者模式(notifier)

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进行处理，一个线程可以处理多个连接的业务。

流程图

1. 当多个服务连接请求请求过来的时候，会将同时请求到一个ServiceHandler（这样就不会造成线程阻塞）
2. ServiceHandler会将每个请求从线程池中取出来一个线程来使用对应的Handler来处理（可以处理线程复用）

模式说明

1. 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)
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

核心组件

• 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。 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；

• Handlers：处理程序执行 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程序来响应 I/O 事件，处理程序执行非阻塞操作。

模式

单Reactor单线程

流程

1. 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
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

优缺点分析

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

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. 如果建立连接请求, 则右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
4. handler 只负责响应事件，不做具体的业务处理, 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
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

优缺点

优点：可以充分的利用多核cpu 的处理能力
缺点：多线程数据共享和访问比较复杂， reactor 处理所有的事件的监听和响应，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

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

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. handler 通过read 读取数据，分发给后面的worker 线程处理
6. worker 线程池分配独立的worker 线程进行业务处理，并返回结果
7. handler 收到响应的结果后，再通过send 将结果返回给client
8. Reactor 主线程可以对应多个Reactor 子线程, 即MainRecator 可以关联多个SubReactor
   注： Reactor的主线程MainReactor 主要来处理连接事件，如果是事件处理的话让子线程subreactor 来处理时间；防止单Reactor多线程中，Reactor会阻塞的可能，主从Reactor多线程可以多子线程来防止处理业务时候阻塞

总结

1. 单 Reactor 单线程，前台接待员和服务员是同一个人，全程为顾客服
2. 单 Reactor 多线程，1 个前台接待员，多个服务员，接待员只负责接待
3. 主从 Reactor 多线程，多个前台接待员，多个服务生

Reactor 模式具有如下的优点：

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
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