NIO 编程模型

Doug Lea 在 Scalable IO in Java 的 PPT 中描述了 Reactor 编程模型的思想，大部分 NIO 框架和一些中间件的 NIO 编程都与它一样或是它的变体。本文结合 PPT 按照自己的理解整理而来，最终编写了一个简单的 NIO 回显服务。

Reactor 之所以高效是因为采用了分而治之和事件驱动的设计。大部分网络服务像 Web 服务器、分布式对象的通信等大多数具有相同的基本处理流程：

读取请求数据 - read
按协议解析请求 - decode
业务处理 - process
按协议编码内容生成响应 - encode
发送响应 - send

传统的服务器设计是：一连接一处理线程，也就是我们常说的 BIO 编程。BIO 在读取和发送时是阻塞的，在请求的整个生命周期内，不管有没有数据可读或待发送，都绑定和占用了这个处理线程。

传统模型中，线程的处理单元是一次完整的请求，为了把线程解放出来，Reactor 对这个处理单元进行了分解。

1. 分而治之

Reactor 模式将处理过程分为多个小任务，每个任务执行一个非阻塞的操作，任务通常由一个 IO 事件触发执行。这种机制在 java.nio 中提供了支持：

非阻塞的读和写
调度与发生的 IO 事件关联的任务

BIO 线程是以 read->decode->process->encode->send 的顺序串行处理，NIO 将其分成了三个执行单元：读取、业务处理和发送，处理过程如下：

读取：如果无数据可读，线程返回线程池；发生读IO事件，申请一个线程处理读取，读取结束后处理业务
业务处理：线程同步处理完业务后，生成响应内容并编码，返回线程池
发送：发生写IO事件，申请一个线程进行发送

可以看出一个明显的区别就是，一次请求的处理过程是由多个不同的线程完成的，感觉和指令的串行执行和并行执行有点类似。

分而治之的关键在于非阻塞，这样就能充分利用线程，压榨 CPU，提高系统的吞吐能力。

2. 事件驱动

通常比其他模型更高效，它使用的资源更少，不用针对每个请求启用一条线程，减少了上下文切换，减少阻塞。但任务调度可能会慢，必须手动将事件和处理动作绑定。

通常编程比较困难，它必须为服务设计多个逻辑状态，以便跟踪和中断恢复，这也是在非阻塞编程中有大量状态机运用的原因。

NIO 中总共设计了 4 种事件，每个事件发生都会调度关联的任务，分别是：

OP_ACCEPT: 服务端监听到了一个连接，准备接收
OP_CONNECT: 客户端与服务器连接建立成功
OP_READ: 读事件就绪，通道有数据可读
OP_WRITE: 写事件就绪，可以向通道写入数据

java.nio 对事件驱动也提供了支持：

Channels: 连接到文件、Socket 等，支持非阻塞读取
Buffers: 类似数组的对象，可由通道直接读取或写入
Selectors: 通知哪组通道有 IO 事件
SelectionKeys: 维护 IO 事件的状态和绑定信息

3. Reactor 模式

Reactor 是一种设计模式，wikipedia 对其定义如下：

Reactor 是一个或多个输入事件的处理模式，用于处理并发传递给服务处理程序的服务请求。服务处理程序判断传入请求发生的事件，并将它们同步的分派给关联的请求处理程序。

Reactor 模式按照职责不同，通常可以把线程分为 Reactor 线程、IO 线程和业务线程：

Reactor 线程：轮询通知发生IO的通道，并分派合适的 Handler 处理
IO 线程：执行实际的读写操作
业务线程：执行应用程序的业务逻辑

PPT 中介绍了三种版本的实现。

3.1 单线程版本

单线程版本就是用一个线程完成事件的通知、实际的 I/O 操作和业务处理。Reactor 作用就是要迅速的触发 Handler ，显然 Handler 处理的过程会导致 Reactor 变慢，此时可以将非 IO 操作从 Reactor 线程中分离。

3.2 多线程版本

多线程版本将业务处理和 I/O 操作进行分离，Reactor 线程只关注事件分发和实际的 IO 操作，业务处理如协议的编解码都分配给线程池处理。可能会有这样的情况发生，业务处理很快，大部分的 Reactor 线程都在处理 IO，导致 CPU 闲置，降低了响应速度。

3.3 主从 Reactor 版本

主从 Reactor 版本设计了一个 主Reactor 用于处理连接接收事件，多个 从Reactor 处理实际的 I/O，分工合作，匹配 CPU 和 IO 速率。

3.4 一个变体

以上的三个版本中，Reactor 线程都参与了 IO 操作，有一种变体是把实际的 IO 操作也转移到线程池线程中，这样从数据的读取到业务的处理都是由一个线程完成，可以避免锁的竞争。

小结

知易行难，为了更好的理解，这里对 PPT 中介绍的3个版本实现了一个简单的回显服务，内部有比较详细的代码注释。

源码地址：https://github.com/tonwu/reactor