线程模型演化

1. 单线程

　　时间回到十几年前，那时主流的CPU都还是单核（除了商用高性能的小机），CPU的核心频率是机器最重要的指标之一。

在编程领域当时比较流行的是单线程编程，对于CPU密集型的应用程序而言，频繁的通过多线程进行协作和抢占时间片反而会降低性能。

2. 多线程

　　随着硬件性能的提升，CPU的核数越来越越多，很多服务器标配已经达到32或64核。通过多线程并发编程，可以充分利用多核CPU的处理能力，提升系统的处理效率和并发性能。

从2005年开始，随着多核处理器的逐步普及，多线程并发编程也逐渐流行起来，用户可以通过 new Thread（）的方式创建新的线程。

根据不同的语言多线程之间的同步、协作、创建和销毁等工作都需要用户自己处理。由于创建和销毁线程是个相对比较重量级的操作，因此，这种原始的多线程编程效率和性能都不高。

3. 线程池

　　为了提升多线程编程的效率和性能，降低用户开发难度。JDK1.5推出了java.util.concurrent并发编程包。在并发编程类库中，提供了线程池、线程安全容器、原子类等新的类库，极大的提升了Java多线程编程的效率，降低了开发难度。如果使用c/c++这些就需要自己实现，当然对线程的理解也会更深入。

 

从JDK1.5开始，基于线程池的并发编程已经成为Java多核编程的主流。

4. Reactor模型

　　无论是C++还是Java编写的网络框架，大多数都是基于Reactor模式进行设计和开发，Reactor模式基于事件驱动，特别适合处理海量的I/O事件。

4.1  单线程模型

　　Reactor单线程模型，指的是所有的IO操作都在同一个NIO线程上面完成，NIO线程的职责如下：

　　1）作为NIO服务端，接收客户端的TCP连接；

　　2）作为NIO客户端，向服务端发起TCP连接；

　　3）读取通信对端的请求或者应答消息；

　　4）向通信对端发送消息请求或者应答消息。

　　Reactor单线程模型示意图如下所示：

　　　　　　　　　　　　图1-1 Reactor单线程模型

　　由于Reactor模式使用的是异步非阻塞IO，所有的IO操作都不会导致阻塞，理论上一个线程可以独立处理所有IO相关的操作。从架构层面看，一个NIO线程确实可以完成其承担的职责。例如，通过Acceptor类接收客户端的TCP连接请求消息，链路建立成功之后，通过Dispatch将对应的ByteBuffer派发到指定的Handler上进行消息解码。用户线程可以通过消息编码通过NIO线程将消息发送给客户端。

对于一些小容量应用场景，可以使用单线程模型。但是对于高负载、大并发的应用场景却不合适，主要原因如下：

　　1） 一个NIO线程同时处理成百上千的链路，性能上无法支撑，即便NIO线程的CPU负荷达到100%，也无法满足海量消息的编码、解码、读取和发送；

　　2） 当NIO线程负载过重之后，处理速度将变慢，这会导致大量客户端连接超时，超时之后往往会进行重发，这更加重了NIO线程的负载，最终会导致大量消息积压和处理超时，成为系统的性能瓶颈；

　　3）可靠性问题：一旦NIO线程意外跑飞，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。

　　为了解决这些问题，演进出了Reactor多线程模型，下面我们一起学习下Reactor多线程模型。

4.2  多线程模型

　　Rector多线程模型与单线程模型最大的区别就是有一组NIO线程处理IO操作，它的原理图如下：

　　　　　　　　　　　　图1-2 Reactor多线程模型

Reactor多线程模型的特点：

　　1） 有专门一个NIO线程-Acceptor线程用于监听服务端，接收客户端的TCP连接请求；

　　2） 网络IO操作-读、写等由一个NIO线程池负责，线程池可以采用标准的JDK线程池实现，它包含一个任务队列和N个可用的线程，由这些NIO线程负责消息的读取、解码、编码和发送；

　　3） 1个NIO线程可以同时处理N条链路，但是1个链路只对应1个NIO线程，防止发生并发操作问题。

　　在绝大多数场景下，Reactor多线程模型都可以满足性能需求；但是，在极个别特殊场景中，一个NIO线程负责监听和处理所有的客户端连接可能会存在性能问题。例如并发百万客户端连接，或者服务端需要对客户端握手进行安全认证，但是认证本身非常损耗性能。在这类场景下，单独一个Acceptor线程可能会存在性能不足问题，为了解决性能问题，产生了第三种Reactor线程模型-主从Reactor多线程模型。

4.3  主从多线程模型

　　主从Reactor线程模型的特点是：服务端用于接收客户端连接的不再是个1个单独的NIO线程，而是一个独立的NIO线程池。Acceptor接收到客户端TCP连接请求处理完成后（可能包含接入认证等），将新创建的SocketChannel注册到IO线程池（sub reactor线程池）的某个IO线程上，由它负责SocketChannel的读写和编解码工作。Acceptor线程池仅仅只用于客户端的登陆、握手和安全认证，一旦链路建立成功，就将链路注册到后端subReactor线程池的IO线程上，由IO线程负责后续的IO操作。

它的线程模型如下图所示：

　　　　　　　　　　　　图1-3 主从Reactor多线程模型

　　利用主从NIO线程模型，可以解决1个服务端监听线程无法有效处理所有客户端连接的性能不足问题。

它的工作流程总结如下：

1. 从主线程池中随机选择一个Reactor线程作为Acceptor线程，用于绑定监听端口，接收客户端连接；

2. Acceptor线程接收客户端连接请求之后创建新的SocketChannel，将其注册到主线程池的其它Reactor线程上，由其负责接入认证、IP黑白名单过滤、握手等操作；

3. 步骤2完成之后，业务层的链路正式建立，将SocketChannel从主线程池的Reactor线程的多路复用器上摘除，重新注册到Sub线程池的线程上，用于处理I/O的读写操作。

参考：Netty系列之Netty线程模型