Netty中的三种Reactor（反应堆）

Reactor（反应堆）和Proactor（前摄器）

Netty的I/O线程NioEventLoop由于聚合了多路复用器Selector，可以同时并发处理成百上千个客户端SocketChannel。由于读写操作都是非阻塞的，这就可以充分提升I/O线程的运行效率，避免由频繁的I/O阻塞导致的线程挂起。另外，由于Netty采用了异步通信模式，一个I/O线程可以并发处理N个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统同步阻塞I/O一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。

高效的Reactor线程模型

常见的Reactor线程模型有三种，分别如下：

Reactor单线程模型；
Reactor多线程模型；
主从Reactor多线程模型；

Netty是典型的Reactor模型结构，关于Reactor的详尽阐释，可参考POSA2,这里不做概念性的解释。而应用Java NIO构建Reactor模式，Doug Lea（就是那位让人无限景仰的大爷）在“Scalable IO in Java”中给了很好的阐述。这里截取其PPT中经典的图例说明 Reactor模式的典型实现：

1、Reactor单线程模型

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

作为NIO服务端，接收客户端的TCP连接；
作为NIO客户端，向服务端发起TCP连接；
读取通信对端的请求或者应答消息；
向通信对端发送消息请求或者应答消息；

Reactor线程是个多面手，负责多路分离套接字，Accept新连接，并分派请求到处理器链中。该模型适用于处理器链中业务处理组件能快速完成的场景。不过，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。

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、大并发的应用却不合适，主要原因如下：

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；
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，超时之后往往进行重发，这更加重了NIO线程的负载，最终导致大量消息积压和处理超时，NIO线程会成为系统的性能瓶颈；
可靠性问题。一旦NIO线程意外跑飞，或者进入死循环，会导致整个系统通讯模块不可用，不能接收和处理外部信息，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。

2、Reactor多线程模型

Reactor多线程模型与单线程模型最大区别就是有一组NIO线程处理I/O操作，它的特点如下：

有一个专门的NIO线程--acceptor新城用于监听服务端，接收客户端的TCP连接请求；
网络I/O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；
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，在极特殊应用场景中，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。例如百万客户端并发连接，或者服务端需要对客户端的握手信息进行安全认证，认证本身非常损耗性能。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。

3、主从Reactor多线程模型

特点是：服务端用于接收客户端连接的不再是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I/O线程池（sub reactor线程池）的某个I/O线程上，由它负责SocketChannel的读写和编解码工作。

Acceptor线程池只用于客户端的登录、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I/O线程上，有I/O线程负责后续的I/O操作。

第三种模型比起第二种模型，是将Reactor分成两部分，mainReactor负责监听server socket，accept新连接，并将建立的socket分派给subReactor。subReactor负责多路分离已连接的socket，读写网络数据，对业务处理功能，其扔给worker线程池完成。通常，subReactor个数上可与CPU个数等同。

NioEventLoopGroup 与 Reactor 线程模型的对应

Netty的线程模型并发固定不变，通过在启动辅助类中创建不同的EventLoopGroup实例并进行适当的参数配置，就可以支持上述三种Reactor线程模型。

Netty单线程模型服务端代码示例如下：

/**

     * Netty单线程模型服务端代码示例

     * @param port

     */

    public void bind(int port) {

        EventLoopGroup reactorGroup = new NioEventLoopGroup();

        try {

            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();

            b.group(reactorGroup, reactorGroup)

                .channel(NioServerSocketChannel.class)

                .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {

                    @Override

                    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {

                        ch.pipeline().addLast("http-codec", new HttpServerCodec());

                        ch.pipeline().addLast("aggregator", new HttpObjectAggregator(65536));

                        ch.pipeline().addLast("http-chunked", new ChunkedWriteHandler());

                        //后面代码省略

                    }

                });

            Channel ch = b.bind(port).sync().channel();

            ch.closeFuture().sync();

        } catch (InterruptedException e) {

            e.printStackTrace();

        } finally {

            reactorGroup.shutdownGracefully();

        }

    }

Netty多线程模型代码如下：

/**

     * Netty多线程模型代码

     * @param port

     */

    public void bind2(int port) {

        EventLoopGroup acceptorGroup = new NioEventLoopGroup(1);

        NioEventLoopGroup ioGroup = new NioEventLoopGroup();

        try {

            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();

            b.group(acceptorGroup, ioGroup)

                .channel(NioServerSocketChannel.class)

                .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {

                    @Override

                    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {

                        ch.pipeline().addLast("http-codec", new HttpServerCodec());

                        ch.pipeline().addLast("aggregator", new HttpObjectAggregator(65536));

                        ch.pipeline().addLast("http-chunked", new ChunkedWriteHandler());

                        //后面代码省略

                    }

                });

            Channel ch = b.bind(port).sync().channel();

            ch.closeFuture().sync();

        } catch (InterruptedException e) {

            e.printStackTrace();

        } finally {

            acceptorGroup.shutdownGracefully();

            ioGroup.shutdownGracefully();

        }

    }

Netty主从线程模型代码如下：

/**

     * Netty主从线程模型代码

     * @param port

     */

    public void bind3(int port) {

        EventLoopGroup acceptorGroup = new NioEventLoopGroup();

        NioEventLoopGroup ioGroup = new NioEventLoopGroup();

        try {

            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();

            b.group(acceptorGroup, ioGroup)

                .channel(NioServerSocketChannel.class)

                .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {

                    @Override

                    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {

                        ch.pipeline().addLast("http-codec", new HttpServerCodec());

                        ch.pipeline().addLast("aggregator", new HttpObjectAggregator(65536));

                        ch.pipeline().addLast("http-chunked", new ChunkedWriteHandler());

                        //后面代码省略

                    }

                });

            Channel ch = b.bind(port).sync().channel();

            ch.closeFuture().sync();

        } catch (InterruptedException e) {

            e.printStackTrace();

        } finally {

            acceptorGroup.shutdownGracefully();

            ioGroup.shutdownGracefully();

        }

    }

说完Reacotr模型的三种形式，那么Netty是哪种呢？其实，我还有一种Reactor模型的变种没说，那就是去掉线程池的第三种形式的变种，这也是Netty NIO的默认模式。在实现上，Netty中的Boss类充当mainReactor，NioWorker类充当subReactor（默认 NioWorker的个数是Runtime.getRuntime().availableProcessors()）。在处理新来的请求时，NioWorker读完已收到的数据到ChannelBuffer中，之后触发ChannelPipeline中的ChannelHandler流。

Netty是事件驱动的，可以通过ChannelHandler链来控制执行流向。因为ChannelHandler链的执行过程是在 subReactor中同步的，所以如果业务处理handler耗时长，将严重影响可支持的并发数。这种模型适合于像Memcache这样的应用场景，但对需要操作数据库或者和其他模块阻塞交互的系统就不是很合适。Netty的可扩展性非常好，而像ChannelHandler线程池化的需要，可以通过在 ChannelPipeline中添加Netty内置的ChannelHandler实现类–ExecutionHandler实现，对使用者来说只是添加一行代码而已。对于ExecutionHandler需要的线程池模型，Netty提供了两种可选：1） MemoryAwareThreadPoolExecutor 可控制Executor中待处理任务的上限（超过上限时，后续进来的任务将被阻塞），并可控制单个Channel待处理任务的上限；2） OrderedMemoryAwareThreadPoolExecutor 是 MemoryAwareThreadPoolExecutor 的子类，它还可以保证同一Channel中处理的事件流的顺序性，这主要是控制事件在异步处理模式下可能出现的错误的事件顺序，但它并不保证同一Channel中的事件都在一个线程中执行（通常也没必要）。一般来说，OrderedMemoryAwareThreadPoolExecutor 是个很不错的选择，当然，如果有需要，也可以DIY一个。