Netty高性能架构之Reactor模式

迷南。 2023-06-25 10:24 12阅读 0赞

在讨论Netty的架构模式之前，我们先来介绍下Reactor模式，因为Netty的架构模式是在此基础上演变而来的

# Reactor模式介绍 #

## 1. 线程模型基本介绍 ##

不同的线程模式，对程序的性能有很大影响，为了搞清Netty 线程模式，我们来系统的讲解下 各个线程模式， 最后看看Netty 线程模型有什么优越性.

目前存在的线程模型有：`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  
    Netty 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)

## 2. 传统阻塞I/O服务模型 ##

### 2.1 工作原理 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9kcGItYm9ib2thb3lhLXNtLmJsb2cuY3Nkbi5uZXQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

说明:

> 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)

### 2.2 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

### 2.3 问题分析 ###

当并发数很大，就会创建大量的线程，占用很大系统资源,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

## 3. Reactor模式 ##

针对传统阻塞 I/O 服务模型的 2 个缺点，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。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9kcGItYm9ib2thb3lhLXNtLmJsb2cuY3Nkbi5uZXQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

I/O 复用结合线程池，就是 Reactor 模式基本设计思想，如图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9kcGItYm9ib2thb3lhLXNtLmJsb2cuY3Nkbi5uZXQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

说明:

> 1.  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)
> 2.  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
> 3.  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 模式中 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。

### 3.1 单Reactor单线程 ###

#### 3.1.1 方案说明 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9kcGItYm9ib2thb3lhLXNtLmJsb2cuY3Nkbi5uZXQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

1.  Select 是前面 I/O 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

**结合实例**：服务器端用一个线程通过多路复用搞定所有的 IO 操作（包括连接，读、写等），编码简单，清晰明了，但是如果客户端连接数量较多，将无法支撑，前面的 NIO 案例就属于这种模型。

#### 3.1.2 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

### 3.2 单Reactor多线程 ###

#### 3.2.1 原理图 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9kcGItYm9ib2thb3lhLXNtLmJsb2cuY3Nkbi5uZXQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

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, 则由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

#### 3.2.2 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.

### 3.3 主从Reactor多线程 ###

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

#### 3.3.1 原理分析 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9kcGItYm9ib2thb3lhLXNtLmJsb2cuY3Nkbi5uZXQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

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

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9kcGItYm9ib2thb3lhLXNtLmJsb2cuY3Nkbi5uZXQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

#### 3.3.2 优缺点说明 ####

**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。  
**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。  
**缺点**：编程复杂度较高

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

### 3.4 Reactor小结 ###

#### 3 种模式用生活案例来理解 ####

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

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