（五：NIO系列） Reactor模式

出處：Reactor模式

本文目錄

　1. 為什么是Reactor模式
　2. Reactor模式簡介
　3. 多線程IO的致命缺陷
　4. 單線程Reactor模型
　　4.1. 什么是單線程Reactor呢？
　　4.2. 單線程Reactor的參考代碼
　　4.3. 單線程模式的缺點:
　5. 多線程的Reactor
　　5.1. 基於線程池的改進
　　5.2. 改進后的完整示意圖
　　5.3. 多線程Reactor的參考代碼
　6. Reactor持續改進
　7. Reactor編程的優點和缺點
　　7.1. 優點
　　7.2. 缺點

1. 為什么是Reactor模式

　　寫多了代碼的兄弟們都知道，JAVA代碼由於到處面向接口及高度抽象，用到繼承多態和設計模式，程序的組織不是按照正常的理解順序來的，對代碼跟蹤很是個問題。所以，在閱讀別人的源碼時，如果不了解代碼的組織方式，往往是暈頭轉向，不知在何處。尤其是閱讀經典代碼的時候，更是如此。

　　反過來，如果先了解代碼的設計模式，再來去代碼，就會閱讀的很輕松，不會那么難懂。

　　像netty這樣的精品中的極品，肯定也是需要先從設計模式入手的。netty的整體架構，基於了一個著名的模式——Reactor模式。Reactor模式，是高性能網絡編程的必知必會模式。

　　首先熟悉Reactor模式，一定是磨刀不誤砍柴工。

2. Reactor模式簡介

　　Netty是典型的Reactor模型結構，關於Reactor的詳盡闡釋，本文站在巨人的肩膀上，借助 Doug Lea（就是那位讓人無限景仰的大爺）的“Scalable IO in Java”中講述的Reactor模式。

　　“Scalable IO in Java”的地址是：http://gee.cs.oswego.edu/dl/cpjslides/nio.pdf

　　Reactor模式也叫反應器模式，大多數IO相關組件如Netty、Redis在使用的IO模式，為什么需要這種模式，它是如何設計來解決高性能並發的呢？

3. 多線程IO的致命缺陷

　　最最原始的網絡編程思路就是服務器用一個while循環，不斷監聽端口是否有新的套接字連接，如果有，那么就調用一個處理函數處理，類似：

while(true){
    socket = accept();
    handle(socket)
}

　　這種方法的最大問題是無法並發，效率太低，如果當前的請求沒有處理完，那么后面的請求只能被阻塞，服務器的吞吐量太低。

　　之后，想到了使用多線程，也就是很經典的connection per thread，每一個連接用一個線程處理，類似：

import com.crazymakercircle.config.SystemConfig;

import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

class BasicModel implements Runnable {
    public void run() {
        try {
            ServerSocket ss =
                    new ServerSocket(SystemConfig.SOCKET_SERVER_PORT);
            while (!Thread.interrupted())
                new Thread(new Handler(ss.accept())).start();
            //創建新線程來handle
            // or, single-threaded, or a thread pool
        } catch (IOException ex) { /* ... */ }
    }

    static class Handler implements Runnable {
        final Socket socket;
        Handler(Socket s) { socket = s; }
        public void run() {
            try {
                byte[] input = new byte[SystemConfig.INPUT_SIZE];
                socket.getInputStream().read(input);
                byte[] output = process(input);
                socket.getOutputStream().write(output);
            } catch (IOException ex) { /* ... */ }
        }
        private byte[] process(byte[] input) {
            byte[] output=null;
            /* ... */
            return output;
        }
    }
}

　　對於每一個請求都分發給一個線程，每個線程中都獨自處理上面的流程。

　　tomcat服務器的早期版本確實是這樣實現的。

多線程並發模式，一個連接一個線程的優點是：

　　一定程度上極大地提高了服務器的吞吐量，因為之前的請求在read阻塞以后，不會影響到后續的請求，因為他們在不同的線程中。這也是為什么通常會講“一個線程只能對應一個socket”的原因。另外有個問題，如果一個線程中對應多個socket連接不行嗎？語法上確實可以，但是實際上沒有用，每一個socket都是阻塞的，所以在一個線程里只能處理一個socket，就算accept了多個也沒用，前一個socket被阻塞了，后面的是無法被執行到的。

多線程並發模式，一個連接一個線程的缺點是：

　　缺點在於資源要求太高，系統中創建線程是需要比較高的系統資源的，如果連接數太高，系統無法承受，而且，線程的反復創建-銷毀也需要代價。

　改進方法是：

　　采用基於事件驅動的設計，當有事件觸發時，才會調用處理器進行數據處理。使用Reactor模式，對線程的數量進行控制，一個線程處理大量的事件。

4. 單線程Reactor模型

　Reactor模型的朴素原型

　　Java的NIO模式的Selector網絡通訊，其實就是一個簡單的Reactor模型。可以說是Reactor模型的朴素原型。

static class Server
    {

        public static void testServer() throws IOException
        {

            // 1、獲取Selector選擇器
            Selector selector = Selector.open();

            // 2、獲取通道
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            // 3.設置為非阻塞
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            // 4、綁定連接
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(SystemConfig.SOCKET_SERVER_PORT));

            // 5、將通道注冊到選擇器上,並注冊的操作為：“接收”操作
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

            // 6、采用輪詢的方式，查詢獲取“准備就緒”的注冊過的操作
            while (selector.select() > 0)
            {
                // 7、獲取當前選擇器中所有注冊的選擇鍵（“已經准備就緒的操作”）
                Iterator<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys().iterator();
                while (selectedKeys.hasNext())
                {
                    // 8、獲取“准備就緒”的時間
                    SelectionKey selectedKey = selectedKeys.next();

                    // 9、判斷key是具體的什么事件
                    if (selectedKey.isAcceptable())
                    {
                        // 10、若接受的事件是“接收就緒” 操作,就獲取客戶端連接
                        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                        // 11、切換為非阻塞模式
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        // 12、將該通道注冊到selector選擇器上
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    }
                    else if (selectedKey.isReadable())
                    {
                        // 13、獲取該選擇器上的“讀就緒”狀態的通道
                        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectedKey.channel();

                        // 14、讀取數據
                        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        int length = 0;
                        while ((length = socketChannel.read(byteBuffer)) != -1)
                        {
                            byteBuffer.flip();
                            System.out.println(new String(byteBuffer.array(), 0, length));
                            byteBuffer.clear();
                        }
                        socketChannel.close();
                    }

                    // 15、移除選擇鍵
                    selectedKeys.remove();
                }
            }

            // 7、關閉連接
            serverSocketChannel.close();
        }

        public static void main(String[] args) throws IOException
        {
            testServer();
        }
    }

　實際上的Reactor模式，是基於Java NIO的，在他的基礎上，抽象出來兩個組件——Reactor和Handler兩個組件：

　　（1）Reactor：負責響應IO事件，當檢測到一個新的事件，將其發送給相應的Handler去處理；新的事件包含連接建立就緒、讀就緒、寫就緒等。

　　（2）Handler:將自身（handler）與事件綁定，負責事件的處理，完成channel的讀入，完成處理業務邏輯后，負責將結果寫出channel。

4.1. 什么是單線程Reactor呢？

如下圖所示：

　　這是最簡單的單Reactor單線程模型。Reactor線程是個多面手，負責多路分離套接字，Accept新連接，並分派請求到Handler處理器中。

　　下面的圖，來自於“Scalable IO in Java”，和上面的圖的意思，差不多。Reactor和Hander 處於一條線程執行。

　順便說一下，可以將上圖的accepter，看做是一種特殊的handler。

4.2. 單線程Reactor的參考代碼

　“Scalable IO in Java”，實現了一個單線程Reactor的參考代碼，Reactor的代碼如下：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

class Reactor implements Runnable
{
    final Selector selector;
    final ServerSocketChannel serverSocket;

    Reactor(int port) throws IOException
    { //Reactor初始化
        selector = Selector.open();
        serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
        //非阻塞
        serverSocket.configureBlocking(false);

        //分步處理,第一步,接收accept事件
        SelectionKey sk =
                serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        //attach callback object, Acceptor
        sk.attach(new Acceptor());
    }

    public void run()
    {
        try
        {
            while (!Thread.interrupted())
            {
                selector.select();
                Set selected = selector.selectedKeys();
                Iterator it = selected.iterator();
                while (it.hasNext())
                {
                    //Reactor負責dispatch收到的事件
                    dispatch((SelectionKey) (it.next()));
                }
                selected.clear();
            }
        } catch (IOException ex)
        { /* ... */ }
    }

    void dispatch(SelectionKey k)
    {
        Runnable r = (Runnable) (k.attachment());
        //調用之前注冊的callback對象
        if (r != null)
        {
            r.run();
        }
    }

    // inner class
    class Acceptor implements Runnable
    {
        public void run()
        {
            try
            {
                SocketChannel channel = serverSocket.accept();
                if (channel != null)
                    new Handler(selector, channel);
            } catch (IOException ex)
            { /* ... */ }
        }
    }
}

Handler的代碼如下：

import com.crazymakercircle.config.SystemConfig;

import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;

class Handler implements Runnable
{
    final SocketChannel channel;
    final SelectionKey sk;
    ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.INPUT_SIZE);
    ByteBuffer output = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.SEND_SIZE);
    static final int READING = 0, SENDING = 1;
    int state = READING;

    Handler(Selector selector, SocketChannel c) throws IOException
    {
        channel = c;
        c.configureBlocking(false);
        // Optionally try first read now
        sk = channel.register(selector, 0);

        //將Handler作為callback對象
        sk.attach(this);

        //第二步,注冊Read就緒事件
        sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
        selector.wakeup();
    }

    boolean inputIsComplete()
    {
        /* ... */
        return false;
    }

    boolean outputIsComplete()
    {

        /* ... */
        return false;
    }

    void process()
    {
        /* ... */
        return;
    }

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

    void read() throws IOException
    {
        channel.read(input);
        if (inputIsComplete())
        {

            process();

            state = SENDING;
            // Normally also do first write now

            //第三步,接收write就緒事件
            sk.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
        }
    }

    void send() throws IOException
    {
        channel.write(output);

        //write完就結束了, 關閉select key
        if (outputIsComplete())
        {
            sk.cancel();
        }
    }
}

　　這兩段代碼，是建立在JAVA NIO的基礎上的，這兩段代碼建議一定要看懂。可以在IDE中去看源碼，這樣直觀感覺更佳。

　　如果對NIO的Seletor不完全了解，影響到上面的代碼閱讀，請閱讀瘋狂創客圈的Java NIO死磕 文章。

4.3. 單線程模式的缺點:

　　1、 當其中某個 handler 阻塞時， 會導致其他所有的 client 的 handler 都得不到執行， 並且更嚴重的是， handler 的阻塞也會導致整個服務不能接收新的 client 請求(因為 acceptor 也被阻塞了)。 因為有這么多的缺陷， 因此單線程Reactor 模型用的比較少。這種單線程模型不能充分利用多核資源，所以實際使用的不多。

　　2、因此，單線程模型僅僅適用於handler 中業務處理組件能快速完成的場景。

5. 多線程的Reactor

5.1. 基於線程池的改進

　在線程Reactor模式基礎上，做如下改進：

　　（1）將Handler處理器的執行放入線程池，多線程進行業務處理。

　　（2）而對於Reactor而言，可以仍為單個線程。如果服務器為多核的CPU，為充分利用系統資源，可以將Reactor拆分為兩個線程。

一個簡單的圖如下：

　5.2. 改進后的完整示意圖

　　下面的圖，來自於“Scalable IO in Java”，和上面的圖的意思，差不多，只是更加詳細。Reactor是一條獨立的線程，Hander 處於線程池中執行。

　5.3. 多線程Reactor的參考代碼

“Scalable IO in Java”，的多線程Reactor的參考代碼，是基於單線程做一個線程池的改進，改進的Handler的代碼如下：

import com.crazymakercircle.config.SystemConfig;

import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

class MthreadHandler implements Runnable
{
    final SocketChannel channel;
    final SelectionKey selectionKey;
    ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.INPUT_SIZE);
    ByteBuffer output = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.SEND_SIZE);
    static final int READING = 0, SENDING = 1;
    int state = READING;


    ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
    static final int PROCESSING = 3;

    MthreadHandler(Selector selector, SocketChannel c) throws IOException
    {
        channel = c;
        c.configureBlocking(false);
        // Optionally try first read now
        selectionKey = channel.register(selector, 0);

        //將Handler作為callback對象
        selectionKey.attach(this);

        //第二步,注冊Read就緒事件
        selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
        selector.wakeup();
    }

    boolean inputIsComplete()
    {
       /* ... */
        return false;
    }

    boolean outputIsComplete()
    {

       /* ... */
        return false;
    }

    void process()
    {
       /* ... */
        return;
    }

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


    synchronized void read() throws IOException
    {
        // ...
        channel.read(input);
        if (inputIsComplete())
        {
            state = PROCESSING;
            //使用線程pool異步執行
            pool.execute(new Processer());
        }
    }

    void send() throws IOException
    {
        channel.write(output);

        //write完就結束了, 關閉select key
        if (outputIsComplete())
        {
            selectionKey.cancel();
        }
    }

    synchronized void processAndHandOff()
    {
        process();
        state = SENDING;
        // or rebind attachment
        //process完,開始等待write就緒
        selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
    }

    class Processer implements Runnable
    {
        public void run()
        {
            processAndHandOff();
        }
    }

}

　Reactor 類沒有大的變化，參考前面的代碼。

6. Reactor持續改進

　對於多個CPU的機器，為充分利用系統資源，將Reactor拆分為兩部分。代碼如下：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

class MthreadReactor implements Runnable
{

    //subReactors集合, 一個selector代表一個subReactor
    Selector[] selectors=new Selector[2];
    int next = 0;
    final ServerSocketChannel serverSocket;

    MthreadReactor(int port) throws IOException
    { //Reactor初始化
        selectors[0]=Selector.open();
        selectors[1]= Selector.open();
        serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
        //非阻塞
        serverSocket.configureBlocking(false);


        //分步處理,第一步,接收accept事件
        SelectionKey sk =
                serverSocket.register( selectors[0], SelectionKey.OP_ACCEPT);
        //attach callback object, Acceptor
        sk.attach(new Acceptor());
    }

    public void run()
    {
        try
        {
            while (!Thread.interrupted())
            {
                for (int i = 0; i <2 ; i++)
                {
                    selectors[i].select();
                    Set selected =  selectors[i].selectedKeys();
                    Iterator it = selected.iterator();
                    while (it.hasNext())
                    {
                        //Reactor負責dispatch收到的事件
                        dispatch((SelectionKey) (it.next()));
                    }
                    selected.clear();
                }

            }
        } catch (IOException ex)
        { /* ... */ }
    }

    void dispatch(SelectionKey k)
    {
        Runnable r = (Runnable) (k.attachment());
        //調用之前注冊的callback對象
        if (r != null)
        {
            r.run();
        }
    }


    class Acceptor { // ...
        public synchronized void run() throws IOException
        {
            SocketChannel connection =
                    serverSocket.accept(); //主selector負責accept
            if (connection != null)
            {
                new Handler(selectors[next], connection); //選個subReactor去負責接收到的connection
            }
            if (++next == selectors.length) next = 0;
        }
    }
}

7. Reactor編程的優點和缺點

　7.1. 優點

　　1）響應快，不必為單個同步時間所阻塞，雖然Reactor本身依然是同步的；

　　2）編程相對簡單，可以最大程度的避免復雜的多線程及同步問題，並且避免了多線程/進程的切換開銷；

　　3）可擴展性，可以方便的通過增加Reactor實例個數來充分利用CPU資源；

　　4）可復用性，reactor框架本身與具體事件處理邏輯無關，具有很高的復用性；

　7.2. 缺點

　　1）相比傳統的簡單模型，Reactor增加了一定的復雜性，因而有一定的門檻，並且不易於調試。

　　2）Reactor模式需要底層的Synchronous Event Demultiplexer支持，比如Java中的Selector支持，操作系統的select系統調用支持，如果要自己實現Synchronous Event Demultiplexer可能不會有那么高效。

　　3） Reactor模式在IO讀寫數據時還是在同一個線程中實現的，即使使用多個Reactor機制的情況下，那些共享一個Reactor的Channel如果出現一個長時間的數據讀寫，會影響這個Reactor中其他Channel的相應時間，比如在大文件傳輸時，IO操作就會影響其他Client的相應時間，因而對這種操作，使用傳統的Thread-Per-Connection或許是一個更好的選擇，或則此時使用改進版的Reactor模式如Proactor模式。

 

　　在開啟Netty源碼前，上面的經典代碼，一定要看懂哦！