Netty学习三：线程模型

1 Proactor和Reactor

Proactor和Reactor是两种经典的多路复用I/O模型，主要用于在高并发、高吞吐量的环境中进行I/O处理。

I/O多路复用机制都依赖于一个事件分发器，事件分离器把接收到的客户事件分发到不同的事件处理器中，如下图：

1.1 select，poll，epoll

在操作系统级别select，poll，epoll是3个常用的I/O多路复用机制，简单了解一下将有助于我们理解Proactor和Reactor。

1.1.1 select

select的原理如下：

用户程序发起读操作后，将阻塞查询读数据是否可用，直到内核准备好数据后，用户程序才会真正的读取数据。

poll与select的原理相似，用户程序都要阻塞查询事件是否就绪，但poll没有最大文件描述符的限制。

1.1.2 epoll

epoll是select和poll的改进，原理图如下：

epoll使用“事件”的方式通知用户程序数据就绪，并且使用内存拷贝的方式使用户程序直接读取内核准备好的数据，不用再读取数据

1.2 Proactor

Proactor是一个异步I/O的多路复用模型，原理图如下：

• 用户发起IO操作到事件分离器
• 事件分离器通知操作系统进行IO操作
• 操作系统将数据存放到数据缓存区
• 操作系统通知分发器IO完成
• 分离器将事件分发至相应的事件处理器
• 事件处理器直接读取数据缓存区内的数据进行处理

1.3 Reactor

Reactor是一个同步的I/O多路复用模型，它没有Proactor模式那么复杂，原理图如下：

• 用户发起IO操作到事件分离器
• 事件分离器调用相应的处理器处理事件
• 事件处理完成，事件分离器获得控制权，继续相应处理

1.4 Proactor和Reactor的比较

• Reactor模型简单，Proactor复杂
• Reactor是同步处理方式，Proactor是异步处理方式
• Proactor的IO事件依赖操作系统，操作系统须支持异步IO
• 同步与异步是相对于服务端与IO事件来说的，Proactor通过操作系统异步来完成IO操作，当IO完成后通知事件分离器，而Reactor需要自己完成IO操作

2 Reactor多线程模型

前面已经简单介绍了Proactor和Reactor模型，在实际中Proactor由于需要操作系统的支持，实现的案例不多，有兴趣的可以看一下Boost Asio的实现，我们主要说一下Reactor模型，Netty也是使用Reactor实现的。

但单线程的Reactor模型每一个用户事件都在一个线程中执行：

• 性能有极限，不能处理成百上千的事件
• 当负荷达到一定程度时，性能将会下降
• 单某一个事件处理器发送故障，不能继续处理其他事件

2.1 多线程Reactor

使用线程池的技术来处理I/O操作，原理图如下：

• Acceptor专门用来监听接收客户端的请求
• I/O读写操作由线程池进行负责
• 每个线程可以同时处理几个链路请求，但一个链路请求只能在一个线程中进行处理

2.2 主从多线程Reactor

在多线程Reactor中只有一个Acceptor，如果出现登录、认证等耗性能的操作，这时就会有单点性能问题，因此产生了主从Reactor多线程模型，原理如下：

• Acceptor不再是一个单独的NIO线程，而是一个独立的NIO线程池
• Acceptor处理完后，将事件注册到IO线程池的某个线程上
• IO线程继续完成后续的IO操作
• Acceptor仅仅完成登录、握手和安全认证等操作，IO操作和业务处理依然在后面的从线程中完成

3 Netty中Reactor模型的实现

Netty同时支持Reactor的单线程、多线程和主从多线程模型，在不同的应用中通过启动参数的配置来启动不同的线程模型。

通过线程池的线程个数、是否共享线程池方式来切换不同的模型

3.1 Netty中的Reactor模型

Netty中的Reactor模型如下图：

• Acceptor中的NioEventLoop用于接收TCP连接，初始化参数
• I/O线程池中的NioEventLoop异步读取通信对端的数据报，发送读事件到channel
• 异步发送消息到对端，调用channel的消息发送接口
• 执行系统调用Task
• 执行定时Task

3.2 NioEventLoop

NioEventLoop是Netty的Reactor线程，它在Netty Reactor线程模型中的职责如下：

1. 作为服务端Acceptor线程，负责处理客户端的请求接入
2. 作为客户端Connecor线程，负责注册监听连接操作位，用于判断异步连接结果
3. 作为IO线程，监听网络读操作位，负责从SocketChannel中读取报文
4. 作为IO线程，负责向SocketChannel写入报文发送给对方，如果发生写半包，会自动注册监听写事件，用于后续继续发送半包数据，直到数据全部发送完成

如下图，是一个NioEventLoop的处理链：

• 处理链中的处理方法是串行化执行的
• 一个客户端连接只注册到一个NioEventLoop上，避免了多个IO线程并发操作

3.2.1 Task

Netty Reactor线程模型中有两种Task:系统Task和定时Task

• 系统Task:创建它们的主要原因是，当IO线程和用户线程都在操作同一个资源时，为了防止并发操作时锁的竞争问题，将用户线程封装为一个Task，在IO线程负责执行，实现局部无锁化
• 定时Task：主要用于监控和检查等定时动作

基于以上原因，NioEventLoop不是一个纯粹的IO线程，它还会负责用户线程的调度

3.2.2 IO线程的分配细节

线程池对IO线程进行资源管理，是通过EventLoopGroup实现的。线程池平均分配channel到所有的线程（循环方式实现，不是100%准确），一个线程在同一时间只会处理一个通道的IO操作，这种方式可以确保我们不需要关心同步问题。

3.2.3 Selector

NioEventLoop是Reactor的核心线程，那么它就就必须实现多路复用。

Selector的过程如下：

• 首先oldWakenUp = wakenUp.getAndSet(false)
• 如果队列中有任务， selectNow()
• 如果没有select(),直达channel准备就绪，但此过程中循环次数超过限值也将rebuidSelectoror退出循环
• 执行processSelectedKeys和runAllTasks

epoll-bug的处理

在netty中对java nio的epoll bug进行了处理,就是设置一个阀值，如果超过了就rebuidSelector来避免epoll()死循环

3.2.4 NioEevntLoopGroup

EventExecutorGroup：提供管理EevntLoop的能力，他通过next()来为任务分配执行线程，同时也提供了shutdownGracefully这一优雅下线的接口

EventLoopGroup继承了EventExecutorGroup接口,并新添了3个方法

• EventLoop next()
• ChannelFuture register(Channel channel)
• ChannelFuture register(Channel channel, ChannelPromise promise)

EventLoopGroup的实现中使用next().register(channel)来完成channel的注册，即将channel注册时就绑定了一个EventLoop，然后EvetLoop将channel注册到EventLoop的Selector上。

NioEventLoopGroup还有几点需要注意：

• NioEventLoopGroup下默认的NioEventLoop个数为cpu核数 * 2，因为有很多的io处理
• NioEventLoop和java的single线程池在5里差异变大了，它本身不负责线程的创建销毁，而是由外部传入的线程池管理
• channel和EventLoop是绑定的，即一旦连接被分配到EventLoop，其相关的I/O、编解码、超时处理都在同一个EventLoop中，这样可以确保这些操作都是线程安全的