Netty Reactor 线程模型笔记
引用:
https://www.cnblogs.com/TomSnail/p/6158249.html
https://www.cnblogs.com/heavenhome/articles/6554262.html
https://my.oschina.net/andylucc/blog/614295
1.3 Reactor
Reactor是一个同步的I/O多路复用模型,它没有Proactor模式那么复杂,原理图如下:
- 用户发起IO操作到事件分离器
- 事件分离器调用相应的处理器处理事件
- 事件处理完成,事件分离器获得控制权,继续相应处理
1.4 Proactor和Reactor的比较
- Reactor模型简单,Proactor复杂
- Reactor是同步处理方式,Proactor是异步处理方式
- Proactor的IO事件依赖操作系统,操作系统须支持异步IO
- 同步与异步是相对于服务端与IO事件来说的,Proactor通过操作系统异步来完成IO操作,当IO完成后通知事件分离器,而Reactor需要自己完成IO操作
2 Reactor多线程模型
前面已经简单介绍了Proactor和Reactor模型,在实际中Proactor由于需要操作系统的支持,实现的案例不多,有兴趣的可以看一下Boost Asio的实现,我们主要说一下Reactor模型,Netty也是使用Reactor实现的。
但单线程的Reactor模型每一个用户事件都在一个线程中执行:
- 性能有极限,不能处理成百上千的事件
- 当负荷达到一定程度时,性能将会下降
- 单某一个事件处理器发送故障,不能继续处理其他事件
2.1 多线程Reactor
使用线程池的技术来处理I/O操作,原理图如下:
- Acceptor专门用来监听接收客户端的请求
- I/O读写操作由线程池进行负责
- 每个线程可以同时处理几个链路请求,但一个链路请求只能在一个线程中进行处理
2.2 主从多线程Reactor
在多线程Reactor中只有一个Acceptor,如果出现登录、认证等耗性能的操作,这时就会有单点性能问题,因此产生了主从Reactor多线程模型,原理如下:
- Acceptor不再是一个单独的NIO线程,而是一个独立的NIO线程池
- Acceptor处理完后,将事件注册到IO线程池的某个线程上
- IO线程继续完成后续的IO操作
- Acceptor仅仅完成登录、握手和安全认证等操作,IO操作和业务处理依然在后面的从线程中完成
3 Netty中Reactor模型的实现
Netty同时支持Reactor的单线程、多线程和主从多线程模型,在不同的应用中通过启动参数的配置来启动不同的线程模型。
通过线程池的线程个数、是否共享线程池方式来切换不同的模型
3.1 Netty中的Reactor模型
Netty中的Reactor模型如下图:
- Acceptor中的NioEventLoop用于接收TCP连接,初始化参数
- I/O线程池中的NioEventLoop异步读取通信对端的数据报,发送读事件到channel
- 异步发送消息到对端,调用channel的消息发送接口
- 执行系统调用Task
- 执行定时Task
3.2 NioEventLoop
NioEventLoop是Netty的Reactor线程,它在Netty Reactor线程模型中的职责如下:
1. 作为服务端Acceptor线程,负责处理客户端的请求接入
2. 作为客户端Connecor线程,负责注册监听连接操作位,用于判断异步连接结果
3. 作为IO线程,监听网络读操作位,负责从SocketChannel中读取报文
4. 作为IO线程,负责向SocketChannel写入报文发送给对方,如果发生写半包,会自动注册监听写事件,用于后续继续发送半包数据,直到数据全部发送完成
如下图,是一个NioEventLoop的处理链:
- 处理链中的处理方法是串行化执行的
- 一个客户端连接只注册到一个NioEventLoop上,避免了多个IO线程并发操作
3.2.1 Task
Netty Reactor线程模型中有两种Task:系统Task和定时Task
- 系统Task:创建它们的主要原因是,当IO线程和用户线程都在操作同一个资源时,为了防止并发操作时锁的竞争问题,将用户线程封装为一个Task,在IO线程负责执行,实现局部无锁化
- 定时Task:主要用于监控和检查等定时动作
基于以上原因,NioEventLoop不是一个纯粹的IO线程,它还会负责用户线程的调度
单线程模型:
private EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup(); ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap() .group(group) .childHandler(new HeartbeatInitializer());
多线程模型:
private EventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup(1);
private EventLoopGroup work = new NioEventLoopGroup();
ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap()
.group(boss,work)
.childHandler(new HeartbeatInitializer());
主从多线程:
private EventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup();
private EventLoopGroup work = new NioEventLoopGroup();
ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap()
.group(boss,work)
.childHandler(new HeartbeatInitializer());
3.2.2 IO线程的分配细节
线程池对IO线程进行资源管理,是通过EventLoopGroup实现的。线程池平均分配channel到所有的线程(循环方式实现,不是100%准确),一个线程在同一时间只会处理一个通道的IO操作,这种方式可以确保我们不需要关心同步问题。
3.2.3 Selector
NioEventLoop是Reactor的核心线程,那么它就就必须实现多路复用。
Selector的过程如下:
- 首先oldWakenUp = wakenUp.getAndSet(false)
- 如果队列中有任务, selectNow()
- 如果没有select(),直达channel准备就绪,但此过程中循环次数超过限值也将rebuidSelectoror退出循环
- 执行processSelectedKeys和runAllTasks
epoll-bug的处理
在netty中对java nio的epoll bug进行了处理,就是设置一个阀值,如果超过了就rebuidSelector来避免epoll()死循环
3.2.4 NioEevntLoopGroup
EventExecutorGroup:提供管理EevntLoop的能力,他通过next()来为任务分配执行线程,同时也提供了shutdownGracefully这一优雅下线的接口
EventLoopGroup继承了EventExecutorGroup接口,并新添了3个方法
- EventLoop next()
- ChannelFuture register(Channel channel)
- ChannelFuture register(Channel channel, ChannelPromise promise)
EventLoopGroup的实现中使用next().register(channel)来完成channel的注册,即将channel注册时就绑定了一个EventLoop,然后EvetLoop将channel注册到EventLoop的Selector上。
NioEventLoopGroup还有几点需要注意:
- NioEventLoopGroup下默认的NioEventLoop个数为cpu核数 * 2,因为有很多的io处理
- NioEventLoop和java的single线程池在5里差异变大了,它本身不负责线程的创建销毁,而是由外部传入的线程池管理
- channel和EventLoop是绑定的,即一旦连接被分配到EventLoop,其相关的I/O、编解码、超时处理都在同一个EventLoop中,这样可以确保这些操作都是线程安全的
如上图,BossEventLoopGroup通常是一个单线程的EventLoop,EventLoop维护着一个注册了ServerSocketChannel的Selector(boss)实例,BoosEventLoop不断轮询Selector将连接事件分离出来,通常是OP_ACCEPT事件,然后将accept得到的SocketChannel交给WorkerEventLoopGroup,WorkerEventLoopGroup会由next选择其中一个EventLoopGroup来将这个SocketChannel注册到其维护的Selector[work eventloop]并对其后续的IO事件进行处理。在Reactor模式中BossEventLoopGroup主要是对多线程的扩展,而每个EventLoop的实现涵盖IO事件的分离,和分发(Dispatcher)。
另一个版本解释:
引用自: https://www.infoq.cn/article/netty-threading-model?utm_source=infoq&utm_medium=popular_links_homepage
1.2. Reactor 模型
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。
1.2.1. 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。
1.2.2. 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。
1.2.3. 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。
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。