一、Reactor模式
1、Reactor模式概述
在多线程并发模式，最简单的就是与“线程”捆绑，1个线程处理1个连接的全部生命周期。优点：这个模型足够简单，它可以实现复杂的业务场景，同时，线程个数是可以远大于CPU个数的。然而，线程个数又不是可以无限增大的，因为线程什么时候执行是由操作系统内核调度算法决定的，调度算法并不会考虑某个线程可能只是为了一个连接服务的，它会做大一统的玩法：时间片到了就执行一下，哪怕这个线程一执行就会不得不继续睡眠。这样来回的唤醒、睡眠线程在次数不多的情况下，是廉价的，但如果操作系统的线程总数很多时，它就是昂贵的（被放大了），因为这种技术性的调度损耗会影响到线程上执行的业务代码的时间。我们所追求的是并发处理数十万连接，当几千个线程出现时，系统的执行效率就已经无法满足高并发了。
改进方法是：
采用基于事件驱动的设计，当有事件触发时，才会调用处理器进行数据处理。使用Reactor模式，对线程的数量进行控制，一个线程处理大量的事件。
netty的整体架构，基于Reactor模式。Reactor模式是高性能网络编程的必知必会模式。Reactor模式也叫反应器模式，大多数IO相关组件如Netty、Redis在使用的IO模式，为什么需要这种模式，它是如何设计来解决高性能并发的呢？
2、单线程Reactor模式
2.1 Reactor模型的简单原型
Java的NIO模式的Selector网络通讯，其实就是一个简单的Reactor模型。可以说是Reactor模型的简单原型。
static class Server
{
public static void testServer() throws IOException
{
// 1、获取Selector选择器
Selector selector = Selector.open();
// 2、获取通道
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 3.设置为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
// 4、绑定连接
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8081));
// 5、将通道注册到选择器上,并注册的操作为：“接收”操作
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
// 6、采用轮询的方式，查询获取“准备就绪”的注册过的操作
while (selector.select() > 0)
{
// 7、获取当前选择器中所有注册的选择键（“已经准备就绪的操作”）
Iterator<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys().iterator();
while (selectedKeys.hasNext())
{
// 8、获取“准备就绪”的时间
SelectionKey selectedKey = selectedKeys.next();
// 9、判断key是具体的什么事件
if (selectedKey.isAcceptable())
{
// 10、若接受的事件是“接收就绪” 操作,就获取客户端连接
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
// 11、切换为非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
// 12、将该通道注册到selector选择器上
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
else if (selectedKey.isReadable())
{
// 13、获取该选择器上的“读就绪”状态的通道
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectedKey.channel();
// 14、读取数据
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int length = 0;
while ((length = socketChannel.read(byteBuffer)) != -1)
{
byteBuffer.flip();
System.out.println(new String(byteBuffer.array(), 0, length));
byteBuffer.clear();
}
socketChannel.close();
}
// 15、移除选择键
selectedKeys.remove();
}
}
// 7、关闭连接
serverSocketChannel.close();
}
public static void main(String[] args) throws IOException
{
testServer();
}
}实际上的Reactor模式，是基于Java NIO的，在他的基础上，抽象出来两个组件——Reactor和Handler两个组件：
（1）Reactor：负责响应IO事件，当检测到一个新的事件，将其发送给相应的Handler去处理；新的事件包含连接建立就绪、读就绪、写就绪等。
（2）Handler: 将自身（handler）与事件绑定，负责事件的处理，完成channel的读入，完成处理业务逻辑后，负责将结果写出channel。
2.2 reactor单线程模型
这是最简单的单Reactor单线程模型。Reactor线程负责多路分离套接字，Accept新连接，并分派请求到Handler处理器中。
单线程模式的缺点:
1、当其中某个 handler 阻塞时， 会导致其他所有的 client 的 handler 都得不到执行， 并且更严重的是， handler 的阻塞也会导致整个服务不能接收新的 client 请求(因为 acceptor 也被阻塞了)。 因为有这么多的缺陷， 因此单线程Reactor 模型用的比较少。这种单线程模型不能充分利用多核资源，所以实际使用的不多。
2、因此，单线程模型仅仅适用于handler 中业务处理组件能快速完成的场景。
3、reactor多线程模型
3.1 基于线程池改进
在线程Reactor模式基础上，做如下改进：
（1）将Handler处理器的执行放入线程池，多线程进行业务处理。
（2）而对于Reactor而言，可以仍为单个线程。如果服务器为多核的CPU，为充分利用系统资源，可以将Reactor拆分为两个线程。
一个简单的图如下：
3.2 多线程Reactor参考代码
class Reactor implements Runnable
{
final Selector selector;
final ServerSocketChannel serverSocket;
Reactor(int port) throws IOException
{ //Reactor初始化
selector = Selector.open();
serverSocket = ServerSocketChannel.open();
serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
//非阻塞
serverSocket.configureBlocking(false);
//分步处理,第一步,接收accept事件
SelectionKey sk =
serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
//attach callback object, Acceptor
sk.attach(new Acceptor());
}
public void run()
{
try
{
while (!Thread.interrupted())
{
selector.select();
Set selected = selector.selectedKeys();
Iterator it = selected.iterator();
while (it.hasNext())
{
//Reactor负责dispatch收到的事件
dispatch((SelectionKey) (it.next()));
}
selected.clear();
}
} catch (IOException ex)
{ /* ... */ }
}
void dispatch(SelectionKey k)
{
Runnable r = (Runnable) (k.attachment());
//调用之前注册的callback对象
if (r != null)
{
r.run();
}
}
// inner class
class Acceptor implements Runnable
{
public void run()
{
try
{
SocketChannel channel = serverSocket.accept();
if (channel != null)
new ThreadHandler(selector, channel);
} catch (IOException ex)
{ /* ... */ }
}
}
}Handler代码如下：
class ThreadHandler implements Runnable
{
final SocketChannel channel;
final SelectionKey selectionKey;
ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(1024*1024*1024);
ByteBuffer output = ByteBuffer.allocate(1024*1024*1024);
static final int READING = 0, SENDING = 1;
int state = READING;
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
static final int PROCESSING = 3;
ThreadHandler(Selector selector, SocketChannel c) throws IOException
{
channel = c;
c.configureBlocking(false);
// Optionally try first read now
selectionKey = channel.register(selector, 0);
//将Handler作为callback对象
selectionKey.attach(this);
//第二步,注册Read就绪事件
selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
selector.wakeup();
}
boolean inputIsComplete()
{
/* ... */
return false;
}
boolean outputIsComplete()
{
/* ... */
return false;
}
void process()
{
/* ... */
return;
}
public void run()
{
try
{
if (state == READING)
{
read();
}
else if (state == SENDING)
{
send();
}
} catch (IOException ex)
{ /* ... */ }
}
synchronized void read() throws IOException
{
// ...
channel.read(input);
if (inputIsComplete())
{
state = PROCESSING;
//使用线程pool异步执行
pool.execute(new Processer());
}
}
void send() throws IOException
{
channel.write(output);
//write完就结束了, 关闭select key
if (outputIsComplete())
{
selectionKey.cancel();
}
}
synchronized void processAndHandOff()
{
process();
state = SENDING;
// or rebind attachment
//process完,开始等待write就绪
selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
}
class Processer implements Runnable
{
public void run()
{
processAndHandOff();
}
}
}4、Reactor模式改进
对于多个CPU的机器，为充分利用系统资源，将Reactor拆分为两部分。代码如下：
class MthreadReactor implements Runnable
{
//subReactors集合, 一个selector代表一个subReactor
Selector[] selectors=new Selector[2];
int next = 0;
final ServerSocketChannel serverSocket;
MthreadReactor(int port) throws IOException
{ //Reactor初始化
selectors[0]=Selector.open();
selectors[1]= Selector.open();
serverSocket = ServerSocketChannel.open();
serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
//非阻塞
serverSocket.configureBlocking(false);
//分步处理,第一步,接收accept事件
SelectionKey sk =
serverSocket.register( selectors[0], SelectionKey.OP_ACCEPT);
//attach callback object, Acceptor
sk.attach(new Acceptor());
}
public void run()
{
try
{
while (!Thread.interrupted())
{
for (int i = 0; i <2 ; i++)
{
selectors[i].select();
Set selected = selectors[i].selectedKeys();
Iterator it = selected.iterator();
while (it.hasNext())
{
//Reactor负责dispatch收到的事件
dispatch((SelectionKey) (it.next()));
}
selected.clear();
}
}
} catch (IOException ex)
{ /* ... */ }
}
void dispatch(SelectionKey k)
{
Runnable r = (Runnable) (k.attachment());
//调用之前注册的callback对象
if (r != null)
{
r.run();
}
}
class Acceptor { // ...
public synchronized void run() throws IOException
{
SocketChannel connection =
serverSocket.accept(); //主selector负责accept
if (connection != null)
{
new Handler(selectors[next], connection); //选个subReactor去负责接收到的connection
}
if (++next == selectors.length) next = 0;
}
}
}5、Reactor模式总结
5. 1 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）编程相对简单，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）可扩展性，可以方便的通过增加Reactor实例个数来充分利用CPU资源；
4）可复用性，reactor框架本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性；
5.2 缺点
1）相比传统的简单模型，Reactor增加了一定的复杂性，因而有一定的门槛，并且不易于调试。
2）Reactor模式需要底层的Synchronous Event Demultiplexer支持，比如Java中的Selector支持，操作系统的select系统调用支持，如果要自己实现Synchronous Event Demultiplexer可能不会有那么高效。
3） Reactor模式在IO读写数据时还是在同一个线程中实现的，即使使用多个Reactor机制的情况下，那些共享一个Reactor的Channel如果出现一个长时间的数据读写，会影响这个Reactor中其他Channel的相应时间，比如在大文件传输时，IO操作就会影响其他Client的相应时间，因而对这种操作，使用传统的Thread-Per-Connection或许是一个更好的选择；
