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Reactor模型

由 半世苍凉 提交于 2020-03-25 16:43:13

要无障碍阅读本文，需要对NIO有一个大概的了解，起码要可以写一个NIO的Hello World。

说到NIO、Netty，Reactor模型一定是绕不开的，因为这种模式架构太经典了，但是好多人在学习的时候，往往会忽视基础的学习，一上来就是Netty，各种高大上，但是却没有静下心来好好看看Netty的基石——Reactor模型。本文就带着大家看看Reactor模型，让大家对Reactor模型有个浅显而又感性的认识。

说到Reactor，不得不提到一篇文章，文章作者是大名鼎鼎的Doug Lea，Java中的并发包就是出自他之手，下面我试着从文章中挑出一些重要的内容，结合我的理解，来说说Reactor模型，看看Doug Lea大神的脑回路是多么的与众不同。

经典的服务设计

图片.png

这是最为传统的Socket服务设计，有多个客户端连接服务端，服务端会开启很多线程，一个线程为一个客户端服务。

在绝大多数场景下，处理一个网络请求有如下几个步骤：

  1. read：从socket读取数据。
  2. decode：解码，因为网络上的数据都是以byte的形式进行传输的，要想获取真正的请求，必定需要解码。
  3. compute：计算，也就是业务处理，你想干啥就干啥。
  4. encode：编码，同理，因为网络上的数据都是以byte的形式进行传输的，也就是socket只接收byte，所以必定需要编码。

下面我们来看看传统的BIO代码：

      public static void main(String[] args) {
        try {
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9696);
            Socket socket = serverSocket.accept();
            new Thread(() -> {
                try {
                    byte[] byteRead = new byte[1024];
                    socket.getInputStream().read(byteRead);

                    String req = new String(byteRead, StandardCharsets.UTF_8);//encode
                    // do something

                    byte[] byteWrite = "Hello".getBytes(StandardCharsets.UTF_8);//decode
                    socket.getOutputStream().write(byteWrite);
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

这段代码应该不需要解释了，应该都看得懂，不然是什么支撑者你看到这里的。。。

这种处理方式有什么弊端呢，一眼就可以知道答案：需要开启大量的线程。

所以我们需要改进它，改进一个东西，肯定需要有目标，我们的目标是什么？没有蛀牙。小伙计，你走错片场了。

我们的目标是：

  1. 随着负载的增加可以优雅降级；
  2. 能够随着资源的改进，性能可以持续提升；
  3. 同时还要满足可用性和性能指标：
    3.1 低延迟
    3.2 满足高峰需求
    3.3 可调节的服务质量

让我们想想为什么传统的Socket会有如此的弊端：

  1. 阻塞
    不管是等待客户端的连接，还是等待客户的数据，都是阻塞的，一夫当关，万夫莫开，不管你什么时候连接我，不管你什么时候给我数据，我都依然等着你。
    让我们试想下：如果accept()、read()这两个方法都是不阻塞的，是不是传统的Socket问题就解决一半了？
  2. 同步
    服务端是死死的盯着客户端，看客户端有没有连接我，有没有给我发数据。
    如果我可以喝着茶，打着农药，而你发了数据，连接了我，系统通知我一下，我再去处理，那该多好，这样传统的Socket问题又解决了一半。

所以神说要有NIO，便有了NIO。

NIO

NIO是什么意思？是什么的简写？Non-blocking，非阻塞的IO模型，这是主流的说法，但是我觉得理解成New IO——新一代的IO模型或许会更好，起码在Java领域会更好。到底如何理解，就看各位看官的了。

NIO就很好的解决了传统Socket问题：

  1. 一个线程可以监听多个Socket，不再是一夫当关，万夫莫开；
  2. 基于事件驱动：等发生了各种事件，系统可以通知我，我再去处理。

关于NIO的更多概念就不在这里阐述了，上面写的只是为了引入今天的主角：Reactor。

Reactor

在讲Rector模型之前，我先把客户端代码放出来，后面实现Reactor模型会用到：

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Socket socket = new Socket();
            socket.connect(new InetSocketAddress("localhost", 9090));
            new Thread(() -> {
                while (true) {
                    try {
                        InputStream inputStream = socket.getInputStream();
                        byte[] bytes = new byte[1024];
                        inputStream.read(bytes);
                        System.out.println(new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8));
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();

            while (true) {
                Scanner scanner = new Scanner(System.in);
                while (scanner.hasNextLine()) {
                    String s = scanner.nextLine();
                    socket.getOutputStream().write(s.getBytes());
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

单Reactor单线程模型

图片.png

这是最简单的Reactor模型，可以看到有多个客户端连接到Reactor，Reactor内部有一个dispatch（分发器）。

有连接请求后，Reactor会通过dispatch把请求交给Acceptor进行处理，有IO读写事件之后，又会通过dispatch交给具体的Handler进行处理。

此时一个Reactor既然负责处理连接请求，又要负责处理读写请求，一般来说处理连接请求是很快的，但是处理具体的读写请求就要涉及到业务逻辑处理了，相对慢太多了。Reactor正在处理读写请求的时候，其他请求只能等着，只有等处理完了，才可以处理下一个请求。

画外音：弱弱的说下，菜的抠脚的我在学习NIO和Reactor的时候，有一个问题是百思不得其解：不是说NIO很强大吗，在不开启的线程的时候，一个服务端可以同时处理多个客户端吗？为什么这里又说只有处理完一个请求，才能处理下一个请求。不知道是否有人和我一个想法，希望我不是唯一一个。。。NIO在不开启线程的时候，一个服务端可以同时处理多个客户端，是指的一个客户端可以监听多个客户端的连接、读写事件，真正做业务处理还是“一夫当关，万夫莫开”的效果。

单线程Reactor模型编程简单，比较适用于每个请求都可以快速完成的场景，但是不能发挥出多核CPU的优势，在一般情况下，不会使用单Reactor单线程模型。

万年不变的道理，有很多东西只有真正实践过了，才能记住，就像Reactor模型，如果仅仅看看图，哪怕当时自认为理解的非常透彻了，相信用不了半个月也会全部忘记，所以还是要自己敲敲键盘，实现一个单Reactor单线程模型。

public class Reactor implements Runnable {
    ServerSocketChannel serverSocketChannel;
    Selector selector;

    public Reactor(int port) {
        try {
            serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            selector = Selector.open();
            serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            SelectionKey selectionKey = serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            selectionKey.attach(new Acceptor(selector, serverSocketChannel));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                selector.select();
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey selectionKey = iterator.next();
                    dispatcher(selectionKey);
                    iterator.remove();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private void dispatcher(SelectionKey selectionKey) {
        Runnable runnable = (Runnable) selectionKey.attachment();
        runnable.run();
    }
}

定义了一个Reactor类。

在构造方法中，注册了连接事件，并且在selectionKey对象附加了一个Acceptor对象，这是用来处理连接请求的类。

Reactor类实现了Runnable接口，并且实现了run方法，在run方法中，
监听各种事件，有了事件后，调用dispatcher方法，在dispatcher方法中，拿到了selectionKey附加的对象，随后调用run方法，注意此时是调用run方法，并没有开启线程，只是一个普通的调用而已。

public class Acceptor implements Runnable {
    private Selector selector;

    private ServerSocketChannel serverSocketChannel;

    public Acceptor(Selector selector, ServerSocketChannel serverSocketChannel) {
        this.selector = selector;
        this.serverSocketChannel = serverSocketChannel;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            System.out.println("有客户端连接上来了," + socketChannel.getRemoteAddress());
            socketChannel.configureBlocking(false);
            SelectionKey selectionKey = socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            selectionKey.attach(new WorkHandler(socketChannel));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

目前如果有事件发生，那一定是连接事件，因为在Reactor类的构造方法中只注册了连接事件，还没有注册读写事件。

发生了连接事件后，Reactor类的dispatcher方法拿到了Acceptor附加对象，调用了Acceptor的run方法，在run方法中又注册了读事件，然后在selectionKey附加了一个WorkHandler对象。

Acceptor的run方法执行完毕后，就会继续回到Reactor类中的run方法，负责监听事件。

此时，Reactor监听了两个事件，一个是连接事件，一个是读事件。

当客户端写事件发生后，Reactor又会调用dispatcher方法，此时拿到的附加对象是WorkHandler，所以又跑到了WorkHandler中的run方法。

public class WorkHandler implements Runnable {
    private SocketChannel socketChannel;

    public WorkHandler(SocketChannel socketChannel) {
        this.socketChannel = socketChannel;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            socketChannel.read(byteBuffer);
            String message = new String(byteBuffer.array(), StandardCharsets.UTF_8);
            System.out.println(socketChannel.getRemoteAddress() + "发来的消息是:" + message);
            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("你的消息我收到了".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

WorkHandler就是真正负责处理客户端写事件的了。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Reactor reactor = new Reactor(9090);
        reactor.run();
    }
}

下面我们可以进行测试了：

有客户端连接上来了,/127.0.0.1:63912
/127.0.0.1:63912发来的消息是:你好
有客户端连接上来了,/127.0.0.1:49290
有客户端连接上来了,/127.0.0.1:49428
/127.0.0.1:49290发来的消息是:我不好
/127.0.0.1:49428发来的消息是:嘻嘻嘻嘻

画外音：本文的目的只是为了让大家更方便、更轻松的了解Reactor模型，所以去除了很多东西，比如注册写事件、读写切换、唤醒等等，如果加上这些琐碎的东西，很可能让大家误入歧途，纠结为什么要注册写事件，不注册不是照样可以写吗，为什么要唤醒，不唤醒不是照样可以监听到新加的事件吗，而这些和Reactor模型关系不是很大。

单Reactor多线程模型

我们知道了单Reactor单线程模型有那么多缺点，就可以有针对性的去解决了。让我们再回顾下单Reactor单线程模型有什么缺点：在处理一个客户端的请求的时候，其他请求只能等着。

那么我们只要+上多线程的概念不就可以了吗？没错，这就是单Reactor多线程模型。
图片.png

可以看到，Reactor还是既要负责处理连接事件，又要负责处理客户端的写事件，不同的是，多了一个线程池的概念。

当客户端发起连接请求后，Reactor会把任务交给acceptor处理，如果客户端发起了写请求，Reactor会把任务交给线程池进行处理，这样一个服务端就可以同时为N个客户端服务了。

让我们继续敲敲键盘，实现一个单Reactor多线程模型把：

public class Reactor implements Runnable {

    ServerSocketChannel serverSocketChannel;

    Selector selector;

    public Reactor(int port) {
        try {
            serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            selector = Selector.open();
            serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9090));
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            SelectionKey selectionKey = serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            selectionKey.attach(new Acceptor(serverSocketChannel, selector));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                selector.select();
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey selectionKey = iterator.next();
                    dispatcher(selectionKey);
                    iterator.remove();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private void dispatcher(SelectionKey selectionKey) {
        Runnable runnable = (Runnable) selectionKey.attachment();
        runnable.run();
    }
}

public class Acceptor implements Runnable {
    ServerSocketChannel serverSocketChannel;

    Selector selector;

    public Acceptor(ServerSocketChannel serverSocketChannel, Selector selector) {
        this.serverSocketChannel = serverSocketChannel;
        this.selector = selector;
    }


    @Override
    public void run() {
        try {
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            System.out.println("有客户端连接上来了," + socketChannel.getRemoteAddress());
            socketChannel.configureBlocking(false);
            SelectionKey selectionKey = socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            System.out.println("acceptor thread:" + Thread.currentThread().getName());
            selectionKey.attach(new WorkHandler(socketChannel));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class WorkHandler implements Runnable {

    static ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);

    private SocketChannel socketChannel;

    public WorkHandler(SocketChannel socketChannel) {
        this.socketChannel = socketChannel;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println("workHandler thread:" + Thread.currentThread().getName());
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            socketChannel.read(buffer);
            pool.execute(new Process(socketChannel, buffer));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class Process implements Runnable {

    private SocketChannel socketChannel;

    private ByteBuffer byteBuffer;

    public Process(SocketChannel socketChannel, ByteBuffer byteBuffer) {
        this.byteBuffer = byteBuffer;
        this.socketChannel = socketChannel;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println("process thread:" + Thread.currentThread().getName());
            String message = new String(byteBuffer.array(), StandardCharsets.UTF_8);
            System.out.println(socketChannel.getRemoteAddress() + "发来的消息是:" + message);
            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("你的消息我收到了".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Reactor reactor = new Reactor(9100);
        reactor.run();
    }
}

单Reactor单线程和单Reactor多线程代码区别不大，只是有了一个多线程的概念而已。

让我们再测试一下：

有客户端连接上来了,/127.0.0.1:55789
acceptor thread:main
有客户端连接上来了,/127.0.0.1:56681
acceptor thread:main
有客户端连接上来了,/127.0.0.1:56850
acceptor thread:main
workHandler thread:main
process thread:pool-1-thread-1
/127.0.0.1:55789发来的消息是:我是客户端1
workHandler thread:main
process thread:pool-1-thread-2
/127.0.0.1:56681发来的消息是:我是客户端2
workHandler thread:main
process thread:pool-1-thread-1
/127.0.0.1:56850发来的消息是:我是客户端3

可以很清楚的看到acceptor、workHandler还是主线程，但是到了process就开启多线程了。

单Reactor多线程模型看起来是很不错了，但是还是有缺点：一个Reactor还是既然负责连接请求，又要负责读写请求，连接请求是很快的，而且一个客户端一般只要连接一次就可以了，但是会发生很多次写请求，如果可以有多个Reactor，其中一个Reactor负责处理连接事件，多个Reactor负责处理客户端的写事件就好了，这样更符合单一职责，所以主从Reactor模型诞生了。

主从Reactor模型

图片.png
这就是主从Reactor模型了，可以看到mainReactor只负责连接请求，而subReactor
只负责处理客户端的写事件。

下面来实现一个主从Reactor模型，需要注意的是，我实现的主从Reactor模型和图片上有区别。图片上是一主一从，而我实现的是一主八从，图片上一个subReactor下面开了一个线程池，而我实现的subReactor之下没有线程池，虽然有所不同，但是核心思路是一样的。

public class Reactor implements Runnable {
    private ServerSocketChannel serverSocketChannel;

    private Selector selector;

    public Reactor(int port) {
        try {
            serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            selector = Selector.open();
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
            SelectionKey selectionKey = serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            selectionKey.attach(new Acceptor(serverSocketChannel));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                selector.select();
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey selectionKey = iterator.next();
                    dispatcher(selectionKey);
                    iterator.remove();
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private void dispatcher(SelectionKey selectionKey) {
        Runnable runnable = (Runnable) selectionKey.attachment();
        runnable.run();
    }
}

public class Acceptor implements Runnable {
    private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
    private final int CORE = 8;

    private int index;

    private SubReactor[] subReactors = new SubReactor[CORE];
    private Thread[] threads = new Thread[CORE];
    private final Selector[] selectors = new Selector[CORE];

    public Acceptor(ServerSocketChannel serverSocketChannel) {
        this.serverSocketChannel = serverSocketChannel;
        for (int i = 0; i < CORE; i++) {
            try {
                selectors[i] = Selector.open();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            subReactors[i] = new SubReactor(selectors[i]);
            threads[i] = new Thread(subReactors[i]);
            threads[i].start();
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println("acceptor thread:" + Thread.currentThread().getName());
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            System.out.println("有客户端连接上来了," + socketChannel.getRemoteAddress());
            socketChannel.configureBlocking(false);
            selectors[index].wakeup();
            SelectionKey selectionKey = socketChannel.register(selectors[index], SelectionKey.OP_READ);
            selectionKey.attach(new WorkHandler(socketChannel));
            if (++index == threads.length) {
                index = 0;
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class SubReactor implements Runnable {
    private Selector selector;

    public SubReactor(Selector selector) {
        this.selector = selector;
    }


    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                selector.select();
                System.out.println("selector:" + selector.toString() + "thread:" + Thread.currentThread().getName());
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey selectionKey = iterator.next();
                    dispatcher(selectionKey);
                    iterator.remove();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private void dispatcher(SelectionKey selectionKey) {
        Runnable runnable = (Runnable) selectionKey.attachment();
        runnable.run();
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Reactor reactor = new Reactor(9090);
        reactor.run();
    }
}

最大的不同在于Acceptor类的构造方法，我开了8个线程，8个subReactor，8个selector，程序一启动，8个线程就会执行，执行的就是subReactor中定义的run方法，监听事件。在Acceptor中的run方法中，又注册了读事件，所以ubReactor中定义的run方法监听的就是读事件了。

下面我们来测试下：

acceptor thread:main
有客户端连接上来了,/127.0.0.1:57986
selector:sun.nio.ch.WindowsSelectorImpl@94f1d6thread:Thread-0
acceptor thread:main
有客户端连接上来了,/127.0.0.1:58142
selector:sun.nio.ch.WindowsSelectorImpl@1819b93thread:Thread-1
acceptor thread:main
有客户端连接上来了,/127.0.0.1:58183
selector:sun.nio.ch.WindowsSelectorImpl@1d04799thread:Thread-2
selector:sun.nio.ch.WindowsSelectorImpl@94f1d6thread:Thread-0
/127.0.0.1:57986发来的消息是:1
selector:sun.nio.ch.WindowsSelectorImpl@1819b93thread:Thread-1
/127.0.0.1:58142发来的消息是:2
selector:sun.nio.ch.WindowsSelectorImpl@1d04799thread:Thread-2
/127.0.0.1:58183发来的消息是:3
acceptor thread:main
有客户端连接上来了,/127.0.0.1:59462
selector:sun.nio.ch.WindowsSelectorImpl@11d3ebfthread:Thread-3
selector:sun.nio.ch.WindowsSelectorImpl@11d3ebfthread:Thread-3
/127.0.0.1:59462发来的消息是:1111

可以很清楚的看到，从始至终，acceptor都只有一个main线程，而负责处理客户端写请求的是不同的线程，而且还是不同的reactor、selector。

Reactor模型结构图

看完了三种Reactor模型，我们还要看下Reactor模型的结构图，图片来自在业内的公认讲Reactor模型最好的论文，没有之一。

图片.png

看起来有点复杂，我们一个个来看。

  • Synchronous Event Demultiplexer：同步事件分离器，用于监听各种事件，调用方调用监听方法的时候会被阻塞，直到有事件发生，才会返回。对于Linux来说，同步事件分离器指的就是IO多路复用模型，比如epoll，poll 等， 对于Java NIO来说， 同步事件分离器对应的组件就是selector，对应的阻塞方法就是select。
  • Handler：本质上是文件描述符，是一个抽象的概念，可以简单的理解为一个一个事件，该事件可以来自于外部，比如客户端连接事件，客户端的写事件等等，也可以是内部的事件，比如操作系统产生的定时器事件等等。
  • Event Handler：事件处理器，本质上是回调方法，当有事件发生后，框架会根据Handler调用对应的回调方法，在大多数情况下，是虚函数，需要用户自己实现接口，实现具体的方法。
  • Concrete Event Handler： 具体的事件处理器，是Event Handler的具体实现。
  • Initiation Dispatcher：初始分发器，实际上就是Reactor角色，提供了一系列方法，对Event Handler进行注册和移除；还会调用Synchronous Event Demultiplexer监听各种事件；当有事件发生后，还要调用对应的Event Handler。

本文到这里就结束了。

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线程阻塞
bytebuffer
try
string
socket
nio
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