Netty学习- Reactor模式

一. 传统阻塞I/O服务模型

工作原理图

先了解传统I/O的原理以及从传统I/O到Reactor模式的转变才能更深刻地理解Reactor模式.

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

• 当并发数特别大时, 服务端会创建大量线程, 占用大量系统资源
• 连接建立后, 若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

解决方案

针对传统阻塞io服务模型的2个缺点有以下两种解决方案:

1. 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Reactor对应的叫法:1.反应器模式2.分发者模式(Dispatcher) 3.通知者模式(notifier)

2. 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

I/O复用结合线程池，就是Reactor模式基本设计思想

二. Reactor模式

Reactor模式基本说明

• Reactor模式，通过一个或多个输入同时传递给服务处理器的模式(基于事件驱动)
• 服务器端程序处理传入的多个请求,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复用监听事件,收到事件后，分发给某个线程(进程),这点就是网络服务器高并发处理关键

Reactor模式核心组成

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，它接听来自客户的电话并将线路转移到适当的联系人；
2. Handlers：处理程序执行I/O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通过调度适当的处理程序来响应I/O事件，处理程序执行非阻塞操作。

Reactor模式分类

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

1. 单Reactor单线程
2. 单Reactor多线程
3. 主从Reactor多线程

单Reactor单线程

原理图

说明

1. Select是前面IO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Acceptor通过Accept处理连接请求，然后创建一个Handler对象处理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

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：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：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
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O(1)的情况

单Reactor多线程

原理图

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

1. 优点：可以充分的利用多核cpu的处理能力
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.

主从Reactor多线程

工作原理图

针对单Reactor多线程模型中，Reactor在单线程中运行，高并发场景下容易成为性能瓶颈，可以让Reactor在多线程中运行

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处理
5. handler通过read读取数据，分发给后面的worker线程处理
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

方案优缺点分析

1. 优点：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：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
4. 结合实例：这种模型在许多项目中广泛使用，包括Nginx主从Reactor多进程模型，Memcached主从多线程，Netty主从多线程模型的支持

Reactor模式小结

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
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，多个服务生

Reactor模式具有如下的优点

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. 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. 扩展性好，可以方便的通过增加Reactor实例个数来充分利用CPU资源
4. 复用性好，Reactor模型本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性