（五：NIO系列） Reactor模式

出处：Reactor模式

本文目录

　1. 为什么是Reactor模式
　2. Reactor模式简介
　3. 多线程IO的致命缺陷
　4. 单线程Reactor模型
　　4.1. 什么是单线程Reactor呢？
　　4.2. 单线程Reactor的参考代码
　　4.3. 单线程模式的缺点:
　5. 多线程的Reactor
　　5.1. 基于线程池的改进
　　5.2. 改进后的完整示意图
　　5.3. 多线程Reactor的参考代码
　6. Reactor持续改进
　7. Reactor编程的优点和缺点
　　7.1. 优点
　　7.2. 缺点

1. 为什么是Reactor模式

　　写多了代码的兄弟们都知道，JAVA代码由于到处面向接口及高度抽象，用到继承多态和设计模式，程序的组织不是按照正常的理解顺序来的，对代码跟踪很是个问题。所以，在阅读别人的源码时，如果不了解代码的组织方式，往往是晕头转向，不知在何处。尤其是阅读经典代码的时候，更是如此。

　　反过来，如果先了解代码的设计模式，再来去代码，就会阅读的很轻松，不会那么难懂。

　　像netty这样的精品中的极品，肯定也是需要先从设计模式入手的。netty的整体架构，基于了一个著名的模式——Reactor模式。Reactor模式，是高性能网络编程的必知必会模式。

　　首先熟悉Reactor模式，一定是磨刀不误砍柴工。

2. Reactor模式简介

　　Netty是典型的Reactor模型结构，关于Reactor的详尽阐释，本文站在巨人的肩膀上，借助 Doug Lea（就是那位让人无限景仰的大爷）的“Scalable IO in Java”中讲述的Reactor模式。

　　“Scalable IO in Java”的地址是：http://gee.cs.oswego.edu/dl/cpjslides/nio.pdf

　　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？

3. 多线程IO的致命缺陷

　　最最原始的网络编程思路就是服务器用一个while循环，不断监听端口是否有新的套接字连接，如果有，那么就调用一个处理函数处理，类似：

while(true){
    socket = accept();
    handle(socket)
}

　　这种方法的最大问题是无法并发，效率太低，如果当前的请求没有处理完，那么后面的请求只能被阻塞，服务器的吞吐量太低。

　　之后，想到了使用多线程，也就是很经典的connection per thread，每一个连接用一个线程处理，类似：

import com.crazymakercircle.config.SystemConfig;

import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

class BasicModel implements Runnable {
    public void run() {
        try {
            ServerSocket ss =
                    new ServerSocket(SystemConfig.SOCKET_SERVER_PORT);
            while (!Thread.interrupted())
                new Thread(new Handler(ss.accept())).start();
            //创建新线程来handle
            // or, single-threaded, or a thread pool
        } catch (IOException ex) { /* ... */ }
    }

    static class Handler implements Runnable {
        final Socket socket;
        Handler(Socket s) { socket = s; }
        public void run() {
            try {
                byte[] input = new byte[SystemConfig.INPUT_SIZE];
                socket.getInputStream().read(input);
                byte[] output = process(input);
                socket.getOutputStream().write(output);
            } catch (IOException ex) { /* ... */ }
        }
        private byte[] process(byte[] input) {
            byte[] output=null;
            /* ... */
            return output;
        }
    }
}

　　对于每一个请求都分发给一个线程，每个线程中都独自处理上面的流程。

　　tomcat服务器的早期版本确实是这样实现的。

多线程并发模式，一个连接一个线程的优点是：

　　一定程度上极大地提高了服务器的吞吐量，因为之前的请求在read阻塞以后，不会影响到后续的请求，因为他们在不同的线程中。这也是为什么通常会讲“一个线程只能对应一个socket”的原因。另外有个问题，如果一个线程中对应多个socket连接不行吗？语法上确实可以，但是实际上没有用，每一个socket都是阻塞的，所以在一个线程里只能处理一个socket，就算accept了多个也没用，前一个socket被阻塞了，后面的是无法被执行到的。

多线程并发模式，一个连接一个线程的缺点是：

　　缺点在于资源要求太高，系统中创建线程是需要比较高的系统资源的，如果连接数太高，系统无法承受，而且，线程的反复创建-销毁也需要代价。

　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。

4. 单线程Reactor模型

　Reactor模型的朴素原型

　　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模型的朴素原型。

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(SystemConfig.SOCKET_SERVER_PORT));

            // 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。

4.1. 什么是单线程Reactor呢？

如下图所示：

　　这是最简单的单Reactor单线程模型。Reactor线程是个多面手，负责多路分离套接字，Accept新连接，并分派请求到Handler处理器中。

　　下面的图，来自于“Scalable IO in Java”，和上面的图的意思，差不多。Reactor和Hander 处于一条线程执行。

　顺便说一下，可以将上图的accepter，看做是一种特殊的handler。

4.2. 单线程Reactor的参考代码

　“Scalable IO in Java”，实现了一个单线程Reactor的参考代码，Reactor的代码如下：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

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 Handler(selector, channel);
            } catch (IOException ex)
            { /* ... */ }
        }
    }
}

Handler的代码如下：

import com.crazymakercircle.config.SystemConfig;

import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;

class Handler implements Runnable
{
    final SocketChannel channel;
    final SelectionKey sk;
    ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.INPUT_SIZE);
    ByteBuffer output = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.SEND_SIZE);
    static final int READING = 0, SENDING = 1;
    int state = READING;

    Handler(Selector selector, SocketChannel c) throws IOException
    {
        channel = c;
        c.configureBlocking(false);
        // Optionally try first read now
        sk = channel.register(selector, 0);

        //将Handler作为callback对象
        sk.attach(this);

        //第二步,注册Read就绪事件
        sk.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)
        { /* ... */ }
    }

    void read() throws IOException
    {
        channel.read(input);
        if (inputIsComplete())
        {

            process();

            state = SENDING;
            // Normally also do first write now

            //第三步,接收write就绪事件
            sk.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
        }
    }

    void send() throws IOException
    {
        channel.write(output);

        //write完就结束了, 关闭select key
        if (outputIsComplete())
        {
            sk.cancel();
        }
    }
}

　　这两段代码，是建立在JAVA NIO的基础上的，这两段代码建议一定要看懂。可以在IDE中去看源码，这样直观感觉更佳。

　　如果对NIO的Seletor不完全了解，影响到上面的代码阅读，请阅读疯狂创客圈的Java NIO死磕 文章。

4.3. 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。

5. 多线程的Reactor

5.1. 基于线程池的改进

　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：

　5.2. 改进后的完整示意图

　　下面的图，来自于“Scalable IO in Java”，和上面的图的意思，差不多，只是更加详细。Reactor是一条独立的线程，Hander 处于线程池中执行。

　5.3. 多线程Reactor的参考代码

“Scalable IO in Java”，的多线程Reactor的参考代码，是基于单线程做一个线程池的改进，改进的Handler的代码如下：

import com.crazymakercircle.config.SystemConfig;

import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

class MthreadHandler implements Runnable
{
    final SocketChannel channel;
    final SelectionKey selectionKey;
    ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.INPUT_SIZE);
    ByteBuffer output = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.SEND_SIZE);
    static final int READING = 0, SENDING = 1;
    int state = READING;


    ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
    static final int PROCESSING = 3;

    MthreadHandler(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();
        }
    }

}

　Reactor 类没有大的变化，参考前面的代码。

6. Reactor持续改进

　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：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

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;
        }
    }
}

7. Reactor编程的优点和缺点

　7.1. 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；

　7.2. 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，或则此时使用改进版的Reactor模式如Proactor模式。

　　在开启Netty源码前，上面的经典代码，一定要看懂哦！