Reactor 线程模型

线程模型

不同的线程模型，对程序段的影响很大，先来看看各个线程模型。

目前存在的线程模型有：

• 传统阻塞I/O服务模型
• Reactor模型

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：

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

传统阻塞IO服务模型

• 黄色框表示对象；蓝色框表示线程；灰色框表示方法（API）

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

问题分析：

• 并发很大时，就会创建大量线程，占用很大的系统资源
• 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线程模型

注意：Reactor不是一种设计模式，是一种线程模型。

引用一下Doug Lea（那是一位让人无限景仰的大师，Java中Concurrent并发包的重要作者之一）在文章《Scalable IO in Java》中对反应器模式的定义，具体如下：

• Reactor反应器线程的职责：负责响应IO事件，并且分发到Handlers处理器。
• Handlers处理器的职责：非阻塞地执行业务处理逻辑。

针对传统阻塞IO服务模型的2个缺点，解决方案如下：

• 基于IO复用模型：多个连接共用一个阻塞对象，应用程序只需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。

client1

ServiceHandler

client2

client3

Thread1/Handler

Thread2/Handler

就是多路复用器的概念，一个线程上的 selector 只作监听 accept 事件，然后把连接分发到其他 worker 线程上的 selector 注册读事件，然后worker线程处理有限个连接的读。

Reactor 对应的叫法：

• 反应器模式
• 分发者模式（Dispatcher）
• 通知者模式（Notifier）

IO 多路复用结合线程池，就是 Reactor 模式的基本设计思想：

• 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）
• 服务器端程序处理客户端传来的多个请求，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
• Reactor 模式使用IO多路复用监听事件，收到事件后，分发给某个线（进程），这点就是网络服务器高并发处理的关键

如图所示：

• 该图只是 Reactor 整体的设计理念，具体到不同的实现（有三种实现）还会有微小的变化。

• 右边的一个线程并不是只能处理一个客户端，可以对应多个客户端。

Reactor 模型中核心组成：

1. 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，接听来自客户的电话并将线路转接给适当的联系人；
2. Handlers: 处理程序执行IO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 通过调度适当地处理程序来响应I/O事件，处理程序执行非阻塞操作。

• 个人理解：Reactor 模式其实就是将 NIO 原来的组件抽象成成新的组件（Reactor、Acceptor、Handler），每个组件在原来NIO的API基础上加了一些功能，分别负责不同的功能，各司其职，比如 Reactor 就包括NIO的select，但是又提供了分发（dispatch）功能。Handler 负责具体的读写等业务处理，在NIO中没有看到Handler，但是其实可以将 NIO 中负责处理业务逻辑的代码封装成 Handler。
• Reactor 又称分发模式，说到这有人联想到 SpringMVC 的 DispatcherServlet，其作用就是相当于一个分发器，作用是统筹管理，根据请求类型的不同进行相应的分发。

单Reactor-单线程

方案说明：

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 Aceptor 通过 accept 处理连接请求，然后创建一个 Handler 对象进行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。

结合实例：服务器端用一个线程通过多路复用完成所有的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（群聊系统）就属于这种模型。

方案优缺点分析：

1. 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；
2. 缺点1：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；
3. 缺点2：可靠性问题，线程意外终止，或进入死循环，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；
4. 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0(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；

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。

方案优缺点分析：

1. 优点：可充分利用多核CPU处理能力；
2. 缺点：多线程数据共享和访问比较复杂，Reactor 处理所有的事件监听和响应，在单线程运行，在高并发应用场景容易出现性能瓶颈。

主从Reactor-多线程

主从Reactor-多线程相当于将原来的Reactor主线程又分成了两部分，系统的复杂度进一步提升。

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 进行处理；
5. Handler 通过 read 读取数据，分发给后面的 Worker 线程进行处理；
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。

主从Reactor-多线程方案优缺点分析：

1. 优点1：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2：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。

集合实例：该模型在许多项目中广泛使用，包括 Nginx 主从 Reactor 多线程模型，Memcached 主从多线程，Netty 主从多线程模型的支持。

3种模型用生活案例来理解

1. 单 Reactor 单线程，前台接待员和服务员是同一个人，全程为顾客服务；
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，多个服务员。

Reactor模式具有如下优点

1. 响应快，不必为单个同步事件所阻塞，虽然Reactor本身仍是同步的（因为Reactor下面有多个subReactor，所以当一个subReactor阻塞还可以调用其他的subReactor）；
2. 可以最大地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，可以方便地通过增加Reactor实例个数来充分利用CPU资源；
4. 复用性好，Reactor模型本身与具体时间处理逻辑无关，具有很高的复用性。