满足高并发的I/O Reactor线程模型 (附图，附代码）

当下服务器端的网络服务为实现高并发，高吞吐量使用的最为流行的模式是事件驱动（event driven）模式，Reactor模式是事件驱动模式的一种。

说起I/O的Reactor模式，最经典的文章是Doug Lea的《Scalable IO in Java》，里面介绍了Reactor模式的三种线程模型：单线程，多线程和主从Reactor模型。文章短短几十页，但是说明了高并发IO的线程模型的基础。但是这篇文章比较侧重于基础，也过于简洁，要想在其基础上实现高并发需要有额外的处理。本文先解释论文中的的多线程模型，然后探讨如何改进，进而实现更贴近实际应用的高性能线程模型。

读懂本文需要对Selector有基本的了解，如果不了解，可以读一下我的另一篇文章：《以最简单易懂的方式介绍I/O模型》。

1. Reactor多线程模型

1.1 大部分网络服务包括以下处理步骤
read request（读取客户端发送过来的byte数据）
decode request（把byte数据解码成特定类型的数据）
process (compute) service（根据请求数据进行业务处理）
encode reply（把处理结果转换成byte数据）
send reply（发送byte数据给客户端）

1.2 Reactor多线程模型图（来自于Doug Lea的文章）

Reactor - 负责响应IO事件，把事件分发给相应的处理代码。Reactor运行在一个独立的线程中（非Thread Pool中的线程）。具体来说，Reactor主要有两个职责，一个是处理来自客户端的连接事件，处理代码由acceptor实现；另一个是处理读取和发送数据的事件，处理代码由Handler实现。
Acceptor - 用以接受客户端的连接请求，然后创建Handler对连接进行后续的处理（读取，处理，发送数据）。
Handler - 事件处理类，用以实现具体的业务逻辑。图中read，decode，compute，encode和send都是由handler实现的。
Thread Pool - Thread Pool中的thread被称作worker thread。Handler中的decode，compute和encode是用worker thread执行的。值得注意的是Handler中的read和send方法是在Reactor线程而不是worker thread中执行的。这意味着对socket数据的读取发送数据和对数据的处理是在不同的线程中进行的.

1.3 Reactor多线程模型的主要问题

1. read和send会影响接受客户端连接的性能
前面分析过read和send是在Reactor线程中执行的，接受客户端的连接请求也是在Reactor线程中执行。这使得如果有read或者send耗时较长，会影响其他客户端连接的速度。
2. Read和send性能不够高效
网络服务对于来自同一客户端的read和send是串行的，但是对于不同客户端之间的read和send是可以并行进行的。由于read和send运行在Reactor单线程中，不能充分发挥硬件能力。
3. 线程上下文切换带来额外开销
前面提到的处理客户端请求的步骤依次是read，decode，process，encode，send。由于read和send是在Reactor线程中执行，而decode，process和encode是在worker thread线程中执行，引入了额外的线程切换开销，这种开销在高并发的时候会体现出来。

2. 实际应用中的多线程模型
Doug Lea文章中的”主从Reactor“模式可以解决上述第一个和第二个问题。它把接受客户端连接的
“主Reactor”单独运行在一个线程中，“从Reactor”有多个，组成一个Reactor Pool，每个”从Reactor“都运行在一个独立的线程上，具有自己的selector和dispatch loop。但第三个问题还是没有解决，read和send仍然是运行在”从Reactor“线程上，而decode，process和encode运行在worker thread上。

要解决第三个问题，可以采用下面的方式。Reactor线程专门用于接受客户端连接（通过acceptor）；创建多个Event Loop ，组成Event Loop Pool，每个Event Loop都有自己的Selector，并且运行在独立的线程上；Acceptor对于每一个客户端的连接从EventLoopPool中选择一个Event Loop进行处理，并且保证每个客户端连接在整个生命周期中都是由同一个Event Loop线程来处理，从而使得Handler中的实现-read，decode，process，encode，send-都在同一个线程中执行。整个线程模型除了高效的性能，还有非常重要的一点是Handler的实现不需要加锁，一方面对性能有帮助，另一方面避免多线程编程的复杂度。

2.1 改进后的模型图

3. 代码示例及注解

class Reactor implements Runnable {
    final Selector selector;
    final ServerSocketChannel serverSocket;
    static final int EVENT_LOOP_POOL_SIZE = 4;
    final EventLoop[] eventLoopPool = new EventLoop[EVENT_LOOP_POOL_SIZE];
    int currentIndex = 0;

    Reactor(int port) throws IOException {
        // 创建并设置ServerSocketChannel对象
        serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
        serverSocket.configureBlocking(false);
        // 创建Selector对象，为ServerSocketChannel对象注册OP_ACCEPT事件
        selector = Selector.open();
        SelectionKey sk =
                serverSocket.register(selector,
                        SelectionKey.OP_ACCEPT);
        // 在SelectionKey对象中保存Acceptor对象，
        // 这样Acceptor对象可以传递给OP_ACCEPT事件发生时的处理方法
        sk.attach(new Acceptor());
        // 创建EventLoop对象，每个EventLoop对象会启动一个线程
        initEventLoopPool();
    }

    void initEventLoopPool() {
        try {
            for (int i = 0; i < EVENT_LOOP_POOL_SIZE; i++) {
                eventLoopPool[i] = new EventLoop();
            }
        } catch (IOException ex) { /* ... */ }
    }

    public void run() { // 运行在独立的线程
        try {
            while (!Thread.interrupted()) {
                selector.select(); // 当没有客户端连接时，此语句会阻塞
                // 执行到以下语句意味着有客户端连接了
                Set selected = selector.selectedKeys();
                Iterator it = selected.iterator();
                while (it.hasNext()) {
                    // 取出保存在SelectionKey中的Acceptor对象，处理连接请求
                    SelectionKey sk = ((SelectionKey) (it.next()));
                    Acceptor acceptor = (Acceptor)sk.attachment();
                    acceptor.accept();
                }
                selected.clear();
            }
        } catch (IOException ex) { /* ... */ }
    }

    class Acceptor {
        public void accept() {
            try {
                // 每个SocketChannel对象都代表一个和客户端的TCP连接，
                // 读取客户端发过来的数据和发送数据给客户端都是通过SocketChannel对象进行
                SocketChannel c = serverSocket.accept();
                if (c != null)
                    // SocketChannel对象的数据读写和处理逻辑是由Handler实现的，
                    // Handler对象的方法是在选中的某一个EventLoop的线程中执行的（为什么？答案在Handler实现中）
                    new Handler(nextEventLoop().selector, c);
            } catch(IOException ex) { /* ... */ }
        }

        EventLoop nextEventLoop() {
            // 循环选择EventLoop（Round Robin方式），使得每个EventLoop负载均衡
            return eventLoopPool[(currentIndex++) % EVENT_LOOP_POOL_SIZE];
        }
    }
}

final class EventLoop implements Runnable {
    final Selector selector;

    EventLoop() throws IOException {
        // 每个EventLoop都有属于自己的Selector对象，
        // 并且运行在独立的线程上
        selector = Selector.open();
        new Thread(this).start();
    }

    public void run() { // normally in a new Thread
        try {
            while (!Thread.interrupted()) {
                selector.select();
                Set selected = selector.selectedKeys();
                Iterator it = selected.iterator();
                while (it.hasNext())
                    dispatch((SelectionKey) (it.next()));
                selected.clear();
            }
        } catch (IOException ex) { /* ... */ }
    }

    void dispatch(SelectionKey k) {
        Runnable r = (Runnable) (k.attachment());
        if (r != null)
            r.run();
    }
}

final class Handler implements Runnable {
    static final int MAXIN = 5000;
    static final int MAXOUT = 10000;
    final SocketChannel socket;
    final SelectionKey sk;
    ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(MAXIN);
    ByteBuffer output = ByteBuffer.allocate(MAXOUT);
    static final int READING = 0, SENDING = 1;
    int state = READING;

    Handler(Selector sel, SocketChannel c)
            throws IOException {
        socket = c;
        c.configureBlocking(false);
        // 为什么此Handler会在EventLoop中执行？
        // 因为入参Selector对象来自于EventLoop，
        // EventLoop的线程负责调用此Selector对象的select方法等待事件的发生，
        // 事件发生后调用SelectionKey.attachment上的run方法，
        // 由于attachment就是此Handler对象，所以相当于在EventLoop线程中调用此Handler的run方法。
        sk = socket.register(sel, 0);
        sk.attach(this);
        sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
        sel.wakeup();
    }
    boolean inputIsComplete() { /* ... */ }
    boolean outputIsComplete() { /* ... */ }
    void process() { /* ... */ }

    public void run() {
        try {
            if (state == READING) read();
            else if (state == SENDING) send();
        } catch (IOException ex) { /* ... */ }
    }

    void read() throws IOException {
        socket.read(input);
        // inputIsComplete方法是干什么用的？
        // 客户端发送过来的数据并不一定是全部放到buffer后再通知selector说数据就绪了，
        // 大部分情况是部分数据放到缓存以后就通知selector说数据就绪了。所以此read方法可能会被调用多次。
        // 用户需要在客户端和服务端约定好怎么样才算数据发送完了，
        // 比如可以用一个特殊的字符结尾，或者先用发送过来的头两个字节代表数据的长度等。
        if (inputIsComplete()) {
            process();
            state = SENDING;
            // Normally also do first write now
            sk.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
        }
    }

    void send() throws IOException {
        socket.write(output);
        if (outputIsComplete()) sk.cancel();
    }
}

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