线程模型

目前存在的线程模型

• 传统阻塞I/O服务模型

  • 工作图

    

    • 黄色框: 对象
    • 蓝色框: 线程
    • 白色框: 方法(API)

  • 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。

  • 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

• Reactor模式

  • 针对传统阻塞I/O服务模型的两个缺点, 提出了解决方案:

    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
    2. 基于线程池复用线程资源: 不必在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。

  • 说明:

    • 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)
    • 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m Reactor模式也被称为Dispatcher模式
    • 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), 这点就是网络服务高并发处理的关键。

  • 基本原理示意图

    

  • 核心组成部分

    • 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；哎应对IO事件做出反应。它就像电话接线员, 接听来自客户的电话并将线路转移到适当的联系人。
    • 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。

根据Reactor的数量和处理资源线程池的数量不同, 有三种典型的实现

• 单Reactor单线程

  • 工作原理示意图:

    

  • 方案说明

    • Select 是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
    • 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
    • 如果是建立请求事件, 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
    • 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
    • Handler 会完成Read -> 业务处理 -> Send的完整业务流程

  • 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在业务处理时间复杂度O(1)的情况。

• 单Reactor多线程

  • 工作原理示意图

    

  • 方案说明

    1. Reactor对象通过select监控客户请求事件, 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, 不会让程序长时间阻塞, 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

  • 优缺点

    • 优点
      • 可以充分地利用多核cpu的处理能力
    • 缺点
      • 多线程数据共享和访问比较复杂, reactor处理所有的事件监听和响应, 但在单线程运行, 在高并发场景容易出现性能瓶颈。

• 主从Reactor多线程(Netty的模型也是由此模型演变而来的)

  • 工作原理示意图

    

    • 其实就是在原先的单Reactor多线程模式下对reactor进行了分层。
    • 需要注意的是SubReactor有多个, 类似集群主从。

  • 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. handler 通过 read读取数据, 分发给后面的worker线程处理
    6. worker 线程池会分配独立的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MainReactor可以关联多个SubReactor

  • 优缺点

    • 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
    • 实例
      • 此模型在许多项目中被广泛使用, 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。

Netty 线程模型

• 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

• 工作原理示意图

  

• 方案说明

  • Netty抽象出两组线程池BossGroup专门负责接收客户端的连接, WorkGroup 专门负责网络的读写。

  • BossGroup 和 WorkerGroup 类型都是NioEventLoopGroup

  • NioEventLoopGroup 相当于一个时间循环组, 这个组中含有多个事件循环, 每一个事件循环是NioEventLoop

  • NioEventLoop 表示一个不断循环的执行处理任务的线程, 每个NioEventLoop 都有一个 selector, 用于监听绑定在其上的socket网路通讯

  • NioEventLoopGroup 可以有多个线程, 即可以含有多个NioEventLoop

  • 每个Boss NioEventLoop循环执行的步骤有3步:

    1. 轮询accept事件
    2. 处理accept事件, 与client建立连接, 生成NioSocketChannel, 并将其注册到某个 worker NIOEventLoop 上的 selector
    3. 处理任务队列的任务, 即runAllTasks

  • 每个 Worker NIOEventLoop 循环执行的步骤:

    1. 轮询read, write 事件
    2. 处理 I/O 事件, 即 read, write 事件, 再对应NioSocketChannel 处理
    3. 处理任务队列的任务, 即runAllTasks

  • 每个 Worker NIOEventLoop 处理业务时, 会使用pipeline(管道), 其中包含了channel, 即通过pipeline 可以获取到对应的通道, 管道中维护了很多的处理器。