Netty基础:Reactor

发布时间:2023-12-07 11:30

一、线程模型基本介绍

        不同的线程模型对程序性能的影响非常大,目前存在的线程模型有传统阻塞I/O线程模型Reactor线程模型;根据Reactor的数量和处理资源池线程的数量的不同,Reactor线程模型有三种典型的实现:

  • 单Reactor单线程
  • 单Reactor多线程
  • 主从Reactor多线程

        Netty采用的线程模型是基于主从Reactor多线程模型,并做了一些改进,其中主从Reactor多线程模型有多个Reactor。‘

1. 传统阻塞I/O模型

        如下图,传统的阻塞I/O,采用阻塞的方式获取输入的数据;每个连接都需要独立的线程完成数据的输入业务处理以及数据返回

        这种模型当并发数很大时,

        1就会创建大量的线程,占用很大的系统资源。

        2. 并且连接创建后,如果当前线程暂时没有数据可读,该线程会阻塞到read()操作,造成线程资源的浪费。

\"Netty基础:Reactor_第1张图片\"

二、 Reactor模式

        针对传统阻塞I/O服务模型的两个缺点,Reactor给出了如下的解决方案:

        1. 基于I/O复用模型:多个连接共用一个阻塞对象ServiceHandler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。

        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池中空闲的线程进行处理,一个线程可以处理多个连接业务。

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Reactor模式(分发者模式)

 

        如下图所示,I/O复用结合线程池,就是Reactor模式基本设计思想

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上图说明如下

  1. Reactor模式通过一个或多个输入同时传递给服务处理器(ServiceHandler)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

关键点是:传统的I/O模式有多个Handler阻塞并且每个连接建立一个线程,而Reactor模式只用一个ServiceHandler阻塞,并将监听所有的I/O事件,将其交给线程池中复用的线程处理!

2.1 Reactor 模式中核心组成:

  1. Reactor(也就是ServiceHandler):Reactor 在一个单独的线程中运行,负责监听和分发事件(即ServiceHandler)分发给适当的处理线程来对 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(处理线程EventHandler):处理线程执行 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线程来响应 I/O 事件,处理程序执行非阻塞操作
     

2.2 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:

2.2.1 单Reactor单线程:

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方案说明:

  1. Select 是NIO中的标准网络编程 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

        该模式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。

优缺点:

  • 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

2.2.2 单 Reactor 多线程

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方案说明:

  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. 如果是建立连接请求,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(也就是说连接已经建立,后续客户端再来请求,那基本就是数据请求了,直接调用之前为这个连接创建好的handler来处理)
  4. handler 只负责响应事件,不做具体的业务处理(这样不会使handler阻塞太久)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。(业务处理是最费时的,所以将业务处理交给线程池去执行)
  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

方案优缺点分析

  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 承担所有的事件的监听和响应,它是单线程运行,在高并发场景容易出现性能瓶颈也就是说Reactor主线程承担了过多的事。

2.2.3 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。

\"Netty基础:Reactor_第6张图片\"

         其中,Reactor子线程可以不止一个(若是只有一个Reactor子线程,其实也和单Reactor没什么区别!),如下图所示,主Reactor只管建立连接,并且其下有多个Reactor子线程,用于处理连接的I/O操作!

\"Netty基础:Reactor_第7张图片\"

 方案说明

  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. worker 线程池分配独立的 worker 线程进行业务处理,并返回结果;
  6. handler 收到响应的结果后,再通过 send 将结果返回给 client;
  7. Reactor 主线程可以对应多个 Reactor 子线程,即 MainRecator 可以关联多个 SubReactor

Scalable IO in Java 对 Multiple Reactors 的原理图解:

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 方案优缺点说明:

  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。

2.3 Reactor 模式的优点

        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(比如你第一个SubReactor阻塞了,我可以调下一个 SubReactor为客户端服务)
        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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