Netty（二）线程模型

1. Netty概述

虽然Java已经提供了NIO，但原生NIO仍存在部分问题：

1. NIO的类库和API繁杂，使用麻烦。需要熟练掌握Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer等
2. 需要具备其他的额外技能：要熟悉Java多线程编程，因为NIO编程涉及到Reactor模式，必须对对多线程和网络编程非常熟悉，才能编写出高质量的NIO程序
3. 开发工作量和难度都非常大：例如客户端面临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常流的处理等等
4. JDK NIO的Bug：例如臭名昭著的Epoll Bug，它会导致Selector空轮询，最终导致CPU 100%。知道JDK 1.7 版本该问题仍旧存在，没有被根本解决

Netty官网（https://netty.io/）说明：

Netty is a NIO client server framework which enables quick and easy development of network applications such as protocol servers and clients

再次回顾Netty的特点：

1. Netty是由JBOSS提供的一个Java开源框架。Netty提供异步、基于事件驱动的网络应用程序框架，用以快速开发高性能、高可靠的网络IO程序
2. Netty可以帮助你快速、简单地开发出一个网络应用，相当于简化和流程化了NIO的开发过程
3. Netty是目前最流行的NIO框架，在互联网领域、大数据分布式计算领域、游戏行业、通信行业等获得了广泛的应用，知名的Elasticsearch、Dubbo框架内部都采用了Netty

1.1. Netty的优点

Netty对JDK自带的NIO的API进行了封装，解决了上述问题。

1. 设计优雅：适用于各种传输类型的统一API阻塞和非阻塞Socket；基于灵活且可扩展的事件模型，可以清晰地分离关注点；高度可定制的线程模型 – 单线程，一个或多个线程池
2. 使用方便：详细记录的Javadoc，用户指南和示例；没有其他依赖项，JDK 5（Netty 3.x）或 6（Netty 4.x）就足够了
3. 高性能、吞吐量更高：延迟更低；减少资源消耗：最小化不必要的内存复制
4. 安全：完整的SSL/TLS和StartTLS支持
5. 社区活跃、不断更新：社区活跃，版本迭代周期短，发现的Bug可以被及时修复，同时，更多的新功能会被加入

1.2. Netty版本

Netty版本分为netty3.x、netty4.x、netty5.x。因为netty5.x出现了重大bug，所以被官方废弃了，目前推荐使用的是netty4.x的稳定版本。

下载地址：

https://netty.io/downloads.html

2. 线程模型基本介绍

对不同的线程模式，对程序的性能有很大影响，为了搞清Netty线程模式，我们系统地讲解下各个线程模式，看看Netty线程模型有什么优越性。

目前存在的线程模型有：

1. 传统阻塞I/O服务模型
2. Reactor模式

根据Reactor的数量和处理资源池线程的数量不同，有3种典型的实现：

1. 单Reactor单线程
2. 单Reactor多线程
3. 主从Reactor多线程

Netty线程模式主要基于主从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

2.1. 传统阻塞I/O服务模型

如下所示：

黄色表示对象，蓝色表示线程，白色表示方法。

模型特点：

1. 采用的是阻塞I/O模型，获取输入数据
2. 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

模型问题：

1. 当并发数很大时，会创建大量的线程，占用大量系统资源
2. 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

2.2. Reactor模式

针对传统阻塞I/O服务模型的2个缺点，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：不必再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

Reactor模式也叫反应器模式、分发者模式（Dispatcher）、通知者模式（Notifier）

此图的说明：

1. Reactor模式：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）
2. 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现场，因此Reactor模式也叫Dispatcher模式
3. 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），这就是网络服务器高并发处理的关键

3. Reactor 模式详述

根据Reactor的数量和处理资源池线程的数量不同，有3种典型的实现：

1. 单Reactor单线程
2. 单Reactor多线程
3. 主从Reactor多线程：是Netty基于的模式

3.1. 单Reactor单线程

如下图所示：

方案说明：

1. select 是前面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
2. 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
3. 如果是建立连接请求事件，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
4. 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
5. Handler会完成Read -> 业务处理 -> Send的完整业务流程

服务端用1个线程通过多路复用搞定所有的IO操作（包括连接、读、写等），编码简单，清晰明了。但是如果客户端连接数量较多，将无法支撑。

单Reactor单线程优缺点：

1. 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
2. 缺点：性能问题，只有1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
3. 缺点：可靠性问题，线程意外终止，或是进入死循环，会导致整个系统通信模块不可用，不能接受和处理外部消息，造成节点故障
4. 使用场景：客户端的数量有限，业务处理非常快速

3.2. 单Reactor多线程

如下图所示：

方案说明：

1. 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
2. 如果是建立连接请求，则由Acceptor 对象通过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。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线程池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

单Reactor多线程优缺点：

1. 优点：可以充分利用多核CPU的处理能力
2. 缺点：多线程数据共享和访问比较复杂，reactor处理所有的事件的监听和响应，在单线程运行，在高并发场景会出现性能瓶颈

3.3. 主从Reactor多线程

针对单Reactor多线程模型中，Reactor在单线程中运行，高并发场景下容易成为性能瓶颈，可以让Reactor在多线程中运行。

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. 当有新的事件发生时，subreactor就会调用对应的handler进行处理
5. Handler通过read读取数据，分发给后面的worker线程进行处理
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方法将结果返回给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

需要注意的是，Reactor子线程并不是一个，而是多个。

在Scalable IO in Java 这本书中，对Multiple Reactors的原理图解为：

主从Reactor多线程方案优缺点说明：

1. 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
2. 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
3. 缺点：编程复杂度较高

结合实例：这种模型在许多项目中使用广泛，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。

3.4. Reactor模式小结

以生活案例来理解 Reactor模式：

1. 单reactor单线程：前台接待员和服务员是同一个人，全程为顾客服务
2. 单reactor多线程：1个前台接待员，多个服务员，接待员只负责接待
3. 主从reactor多线程：多个前台接待员，多个服务生

Reactor模式具有以下优点：

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. 可以最大程度的避免复杂的多线程以及同步问题，并且避免了多线程/进程的切换开销
3. 扩展性好：可以方便的通过增加Reactor实例个数来充分利用CPU资源
4. 复用性好：Reactor模型本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性

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此 Netty 笔记为学习尚硅谷韩老师讲的 Netty 整理完成，原视频讲解十分详细，建议对 Netty 框架感兴趣的同学们可以看一遍原视频：

https://www.bilibili.com/video/BV1DJ411m7NR