Netty之Reactor模式
无论是C++还是Java编写的网络框架,大多数都是基于Reactor模式进行设计和开发,Reactor模式基于事件驱动,特别适合处理海量的I/O事件。
1. 单线程模型
Reactor单线程模型,指的是所有的IO操作都在同一个NIO线程上面完成,NIO线程的职责如下:
1)作为NIO服务端,接收客户端的TCP连接;
2)作为NIO客户端,向服务端发起TCP连接;
3)读取通信对端的请求或者应答消息;
4)向通信对端发送消息请求或者应答消息。
Reactor单线程模型示意图如下所示:
图1-1 Reactor单线程模型
由于Reactor模式使用的是异步非阻塞IO,所有的IO操作都不会导致阻塞,理论上一个线程可以独立处理所有IO相关的操作。从架构层面看,一个NIO线程确实可以完成其承担的职责。例如,通过Acceptor类接收客户端的TCP连接请求消息,链路建立成功之后,通过Dispatch将对应的ByteBuffer派发到指定的Handler上进行消息解码。用户线程可以通过消息编码通过NIO线程将消息发送给客户端。
对于一些小容量应用场景,可以使用单线程模型。但是对于高负载、大并发的应用场景却不合适,主要原因如下:
1)一个NIO线程同时处理成百上千的链路,性能上无法支撑,即便NIO线程的CPU负荷达到100%,也无法满足海量消息的编码、解码、读取和发送;
2)当NIO线程负载过重之后,处理速度将变慢,这会导致大量客户端连接超时,超时之后往往会进行重发,这更加重了NIO线程的负载,最终会导致大量消息积压和处理超时,成为系统的性能瓶颈;
3)可靠性问题:一旦NIO线程意外跑飞,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。
为了解决这些问题,演进出了Reactor多线程模型,下面我们一起学习下Reactor多线程模型。
2. 多线程模型
Rector多线程模型与单线程模型最大的区别就是有一组NIO线程处理IO操作,它的原理图如下:
图1-2 Reactor多线程模型
Reactor多线程模型的特点:
1)有专门一个NIO线程-Acceptor线程用于监听服务端,接收客户端的TCP连接请求;
2)网络IO操作-读、写等由一个NIO线程池负责,线程池可以采用标准的JDK线程池实现,它包含一个任务队列和N个可用的线程,由这些NIO线程负责消息的读取、解码、编码和发送;
3)1个NIO线程可以同时处理N条链路,但是1个链路只对应1个NIO线程,防止发生并发操作问题。
在绝大多数场景下,Reactor多线程模型都可以满足性能需求;但是,在极个别特殊场景中,一个NIO线程负责监听和处理所有的客户端连接可能会存在性能问题。例如并发百万客户端连接,或者服务端需要对客户端握手进行安全认证,但是认证本身非常损耗性能。在这类场景下,单独一个Acceptor线程可能会存在性能不足问题,为了解决性能问题,产生了第三种Reactor线程模型-主从Reactor多线程模型。
3. 主从多线程模型
主从Reactor线程模型的特点是:服务端用于接收客户端连接的不再是个1个单独的NIO线程,而是一个独立的NIO线程池。Acceptor接收到客户端TCP连接请求处理完成后(可能包含接入认证等),将新创建的SocketChannel注册到IO线程池(sub reactor线程池)的某个IO线程上,由它负责SocketChannel的读写和编解码工作。Acceptor线程池仅仅只用于客户端的登陆、握手和安全认证,一旦链路建立成功,就将链路注册到后端subReactor线程池的IO线程上,由IO线程负责后续的IO操作。
它的线程模型如下图所示:
图1-3 主从Reactor多线程模型
利用主从NIO线程模型,可以解决1个服务端监听线程无法有效处理所有客户端连接的性能不足问题。因此,在Netty的官方demo中,推荐使用该线程模型。
它的工作流程总结如下:
- 从主线程池中随机选择一个Reactor线程作为Acceptor线程,用于绑定监听端口,接收客户端连接;
- Acceptor线程接收客户端连接请求之后创建新的SocketChannel,将其注册到主线程池的其它Reactor线程上,由其负责接入认证、IP黑白名单过滤、握手等操作;
- 步骤2完成之后,业务层的链路正式建立,将SocketChannel从主线程池的Reactor线程的多路复用器上摘除,重新注册到Sub线程池的线程上,用于处理I/O的读写操作。
事实上,Netty的线程模型并非固定不变,通过在启动辅助类中创建不同的EventLoopGroup实例并通过适当的参数配置,就可以支持上述三种Reactor线程模型。正是因为Netty 对Reactor线程模型的支持提供了灵活的定制能力,所以可以满足不同业务场景的性能诉求。
参考资料
Netty系列之Netty高性能之道:http://www.infoq.com/cn/articles/netty-high-performance
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