Reactor模式
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基础篇：netty源码 死磕3-
传说中神一样的Reactor反应器模式
1. 为什么是Reactor模式
写多了代码的兄弟们都知道，JAVA代码由于到处面向接口及高度抽象，用到继承多态和设计模式，程序的组织不是按照正常的理解顺序来的，对代码跟踪很是个问题。所以，在阅读别人的源码时，如果不了解代码的组织方式，往往是晕头转向，不知在何处。尤其是阅读经典代码的时候，更是如此。
反过来，如果先了解代码的设计模式，再来去代码，就会阅读的很轻松，不会那么难懂。
像netty这样的精品中的极品，肯定也是需要先从设计模式入手的。netty的整体架构，基于了一个著名的模式——Reactor模式。Reactor模式，是高性能网络编程的必知必会模式。
首先熟悉Reactor模式，一定是磨刀不误砍柴工。
2. Reactor模式简介
Netty是典型的Reactor模型结构，关于Reactor的详尽阐释，本文站在巨人的肩膀上，借助 Doug Lea（就是那位让人无限景仰的大爷）的“Scalable IO in Java”中讲述的Reactor模式。
“Scalable IO in Java”的地址是：http://gee.cs.oswego.edu/dl/cpjslides/nio.pdf
Reactor模式也叫反应器模式，大多数IO相关组件如Netty、Redis在使用的IO模式，为什么需要这种模式，它是如何设计来解决高性能并发的呢？
3. 多线程IO的致命缺陷
最最原始的网络编程思路就是服务器用一个while循环，不断监听端口是否有新的套接字连接，如果有，那么就调用一个处理函数处理，类似：
while(true){
socket = accept();
handle(socket)
}
这种方法的最大问题是无法并发，效率太低，如果当前的请求没有处理完，那么后面的请求只能被阻塞，服务器的吞吐量太低。
之后，想到了使用多线程，也就是很经典的connection per thread，每一个连接用一个线程处理，类似：
package com.crazymakercircle.iodemo.base;
import com.crazymakercircle.config.SystemConfig;
import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
class BasicModel implements Runnable {
public void run() {
try {
ServerSocket ss =
new ServerSocket(SystemConfig.SOCKET_SERVER_PORT);
while (!Thread.interrupted())
new Thread(new Handler(ss.accept())).start();
//创建新线程来handle
// or, single-threaded, or a thread pool
} catch (IOException ex) { /* ... */ }
}
static class Handler implements Runnable {
final Socket socket;
Handler(Socket s) { socket = s; }
public void run() {
try {
byte[] input = new byte[SystemConfig.INPUT_SIZE];
socket.getInputStream().read(input);
byte[] output = process(input);
socket.getOutputStream().write(output);
} catch (IOException ex) { /* ... */ }
}
private byte[] process(byte[] input) {
byte[] output=null;
/* ... */
return output;
}
}
}
对于每一个请求都分发给一个线程，每个线程中都独自处理上面的流程。
tomcat服务器的早期版本确实是这样实现的。
多线程并发模式，一个连接一个线程的优点是：
一定程度上极大地提高了服务器的吞吐量，因为之前的请求在read阻塞以后，不会影响到后续的请求，因为他们在不同的线程中。这也是为什么通常会讲“一个线程只能对应一个socket”的原因。另外有个问题，如果一个线程中对应多个socket连接不行吗？语法上确实可以，但是实际上没有用，每一个socket都是阻塞的，所以在一个线程里只能处理一个socket，就算accept了多个也没用，前一个socket被阻塞了，后面的是无法被执行到的。
多线程并发模式，一个连接一个线程的缺点是：
缺点在于资源要求太高，系统中创建线程是需要比较高的系统资源的，如果连接数太高，系统无法承受，而且，线程的反复创建-销毁也需要代价。
改进方法是：
采用基于事件驱动的设计，当有事件触发时，才会调用处理器进行数据处理。使用Reactor模式，对线程的数量进行控制，一个线程处理大量的事件。
4. 单线程Reactor模型
Reactor模型的朴素原型
Java的NIO模式的Selector网络通讯，其实就是一个简单的Reactor模型。可以说是Reactor模型的朴素原型。
static class Server {
public static void testServer() throws IOException
{
// 1、获取Selector选择器
Selector selector = Selector.open();
// 2、获取通道
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 3.设置为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
// 4、绑定连接
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(SystemConfig.SOCKET_SERVER_PORT));
// 5、将通道注册到选择器上,并注册的操作为：“接收”操作
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
// 6、采用轮询的方式，查询获取“准备就绪”的注册过的操作
while (selector.select() > 0)
{
// 7、获取当前选择器中所有注册的选择键（“已经准备就绪的操作”）
Iterator<span style="color: #0000ff;"><</span><span style="color: #800000;">SelectionKey</span><span style="color: #0000ff;">></span> selectedKeys = selector.selectedKeys().iterator();
while (selectedKeys.hasNext())
{
// 8、获取“准备就绪”的时间
SelectionKey selectedKey = selectedKeys.next();
// 9、判断key是具体的什么事件
if (selectedKey.isAcceptable())
{
// 10、若接受的事件是“接收就绪” 操作,就获取客户端连接
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
// 11、切换为非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
// 12、将该通道注册到selector选择器上
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
else if (selectedKey.isReadable())
{
// 13、获取该选择器上的“读就绪”状态的通道
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectedKey.channel();
// 14、读取数据
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int length = 0;
while ((length = socketChannel.read(byteBuffer)) != -1)
{
byteBuffer.flip();
System.out.println(new String(byteBuffer.array(), 0, length));
byteBuffer.clear();
}
socketChannel.close();
}
// 15、移除选择键
selectedKeys.remove();
}
}
// 7、关闭连接
serverSocketChannel.close();
}
public static void main(String[] args) throws IOException
{
testServer();
}
}
实际上的Reactor模式，是基于Java NIO的，在他的基础上，抽象出来两个组件——Reactor和Handler两个组件：
（1）Reactor：负责响应IO事件，当检测到一个新的事件，将其发送给相应的Handler去处理；新的事件包含连接建立就绪、读就绪、写就绪等。
（2）Handler:将自身（handler）与事件绑定，负责事件的处理，完成channel的读入，完成处理业务逻辑后，负责将结果写出channel。
4.1. 什么是单线程Reactor呢？
如下图所示：
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。
4.2. 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。
如果对NIO的Seletor不完全了解，影响到上面的代码阅读，请阅读疯狂创客圈的Java NIO死磕 文章。
4.3. 单线程模式的缺点:
1、 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。
2、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。
5. 多线程的Reactor
5.1. 基于线程池的改进
在线程Reactor模式基础上，做如下改进：
（1）将Handler处理器的执行放入线程池，多线程进行业务处理。
（2）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：
5.2. 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。
5.3. 多线程Reactor的参考代码
“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();
}
}
}
Reactor 类没有大的变化，参考前面的代码。
6. Reactor持续改进
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 <span style="color: #0000ff;"><</span>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;
}
}
}
7. Reactor编程的优点和缺点
6.1. 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）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；
3）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；
4）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；
6.2. 缺点
1）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。
2）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。
3） 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。
在开启Netty源码前，上面的经典代码，一定要看懂哦！
