Netty学习笔记五：线程模型
一、Netty概述：
原生NIO存在的问题：
1、NIO 的类库和 API 繁杂，使用麻烦：需要熟练掌握 Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer 等。需要具备其他的额外技能：要熟悉 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络编程非常熟悉，才能编写出高质量的 NIO 程序。
2、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、网络拥塞和异常流的处理等等。
3、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%。直到 JDK 1.7 版本该问题仍旧存在，没有被根本解决。
Netty的说明：
1、Netty 是由 JBOSS 提供的一个 Java 开源框架。Netty 提供异步的、基于事件驱动的网络应用程序框架，用以快速开发高性能、高可靠性的网络 IO 程序
2、Netty 可以帮助你快速、简单的开发出一个网络应用，相当于简化和流程化了 NIO 的开发过程
3、Netty 是目前最流行的 NIO 框架，Netty 在互联网领域、大数据分布式计算领域、游戏行业、通信行业等获得了广泛的应用，知名的 Elasticsearch 、Dubbo 框架内部都采用了 Netty。
Netty的优点：
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.
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
二、线程模型
现有的线程模型有：传统阻塞I/O服务模型、Reactor模式
根据Reactor的数量和处理资源池的数量不同，有3种典型的实现：单Reactor单线程、单Reactor多线程、主从Reactor多线程
Netty的线程模式：Netty 主要基于主从 Reactor 多线程模型做了一定的改进，其中主从 Reactor 多线程模型有多个 Reactor
传统阻塞I/O服务模型：
黄色的框表示对象，蓝色的框表示线程，白色的框表示方法(API)
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
缺点：
1、当并发数很大，就会创建大量的线程，占用很大系统资源
2、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模式针对传统的阻塞I/O模型的两个缺点，给出了解决方案：
- 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
- 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。
Reactor模式的别的叫法：反应器模式、分发者模式（Dispatcher）、通知者模式（notifier）
如下图所示：
单Reactor单线程模型：
上一篇的群聊系统就是一个单Reactor单线程的模型。
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多线程模式：
步骤说明：
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
优缺点分析：
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
多Reactor多线程模型：
步骤说明：
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
优缺点分析：
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.
三、Netty模型
1)Netty抽象出两组线程池 BossGroup 专门负责接收客户端的连接, WorkerGroup 专门负责网络的读写
2)BossGroup 和 WorkerGroup 类型都是 NioEventLoopGroup
3)NioEventLoopGroup 相当于一个事件循环组, 这个组中含有多个事件循环 ，每一个事件循环是 NioEventLoop
4)NioEventLoop 表示一个不断循环的执行处理任务的线程， 每个NioEventLoop 都有一个selector , 用于监听绑定在其上的socket的网络通讯
5)NioEventLoopGroup 可以有多个线程, 即可以含有多个NioEventLoop
6)每个Boss NioEventLoop 循环执行的步骤有3步
1、轮询accept 事件
2、处理accept 事件 , 与client建立连接 , 生成NioScocketChannel , 并将其注册到某个worker NIOEventLoop 上的 selector
3、处理任务队列的任务 ， 即 runAllTasks
7)每个 Worker NIOEventLoop 循环执行的步骤
1、轮询read, write 事件
2、处理i/o事件， 即read , write 事件，在对应NioScocketChannel 处理
3、处理任务队列的任务 ， 即 runAllTasks
8) 每个Worker NIOEventLoop 处理业务时，会使用pipeline(管道), pipeline 中包含了 channel , 即通过pipeline 可以获取到对应通道, 管道中维护了很多的 处理器
