Netty入门之IO线程模型(一)

1. 前言

在我们了解Netty时，推荐先将这两篇博客看完再来学习：

Java – 什么是BIO

Java – 什么是NIO

首先我们需要了解Netty线程模式。

而在了解Netty线程模型时，我们更需要了解线程模型有哪些，只有这样我们才能理解Netty线程模型的优越性。

目前存在的线程模型有：

• 传统阻塞IO服务模型
• Reactor模式

而根据Reactor的数量和处理资源的线程池数量不同，又分为3种具体的IO线程模型：

• 单Reactor单线程
• 单Reactor多线程
• 主从Reactor多线程

而我们所说的Netty线程模式主要基于主从Reactor多线程模型做的改进。

下面我将讲述这些IO线程模型的原理即优缺点

2. 传统阻塞IO服务模型

2.1 工作原理图

2.2 模型特点及其缺点

特点：

• 采用阻塞IO模式获取输入的数据

• 每个连接都需要独立的线程完成数据的输入、业务处理、数据返回。

缺点：

• 大并发情况下，产生大量线程，会占用大量系统资源
• 当创建连接后，如果当前线程暂时没有可读数据，则该线程会阻塞在read操作，造成线程资源浪费

3. Reactor模式

针对传统阻塞IO服务模型的两个缺点，有以下解决方案：

• 基于IO复用模型：多个连接公用一个阻塞对象，应用程序只需要在一个阻塞对象等待，无需阻塞等待所有连接。当某个连接有新的数据可以处理时，操作系统通知应用程序，线程从阻塞状态返回，开始进行业务处理
• 基于线程池复用线程资源：不必再为每个连接创建线程，将连接完成后的业务处理任务分配给线程进行处理，一个线程可以处理多个连接的业务

而我们的Reactor模式就是将上述两个方法结合：IO复用结合线程池，来解决传统阻塞IO服务模型的缺点。IO复用结合线程池，就是Reactor模式基本设计思想。

解析：

• Reactor模式，通过一个或多个输入同时传递给服务器处理的模式(基于事件驱动)
• 服务器端程序处理传入的多个请求，并将它们同步分派到相应的处理线程， 因此 Reactor 模式也叫 Dispatcher模式
• Reactor 模式使用 IO 复用监听事件，收到事件后，分发给某个线程(进程)，这点就是网络服务器高并发处理关键

核心：

• Reactor：Reactor 在一个单独的线程中运行，负责监听和分发事件，分发给适当的处理程序来对 IO 事件做出反应。 它就像公司的电话接线员，它接听来自客户的电话并将线路转移到适当的联系人
• Handlers：处理程序执行 I/O 事件要完成的实际事件，类似于客户想要与之交谈的公司中的实际官员。Reactor通过调度适当的处理程序来响应 I/O 事件，处理程序执行非阻塞操作

基于Reactor模式划分为3种分类：单Reactor单线程，单Reactor多线程，主从Reactor多线程。

3.1 单Reactor单线程

3.1.1 工作原理图

• Select 是前面 I/O 复用模型介绍的标准网络编程 API，可以实现应用程序通过一个阻塞对象监听多路连接请求
• Reactor 对象通过 Select 监控客户端请求事件，收到事件后通过 Dispatch 进行分发
• 如果是建立连接请求事件，则由 Acceptor 通过 Accept 处理连接请求，然后创建一个 Handler 对象处理连接完成后的后续业务处理
• 如果不是建立连接事件，则 Reactor 会分发调用连接对应的 Handler 来响应
• Handler 会完成 Read→业务处理→Send 的完整业务流程

3.1.2 代码实例

可以参考Java – 什么是NIO此博客中的基于NIO实现多人聊天群

即服务端使用一个线程通过多路复用搞定所有的IO操作(连接、读、写)，编码简单，清晰明了，但是如果客户端连接数量较多，将无法支撑。

3.1.3 模型优缺点

优点：

• 模型简单，没有多线程、进程通信、竞争的问题，全部都在一个线程中完成

缺点：

• 性能问题，只有一个线程，无法完全发挥多核 CPU 的性能。Handler 在处理某个连接上的业务时，整个进程无法处理其他连接事件，很容易导致性能瓶颈
• 可靠性问题，线程意外终止，或者进入死循环，会导致整个系统通信模块不可用，不能接收和处理外部消息，造成节点故障

3.2 单Reactor多线程

3.2.1 工作原理图

• Reactor 对象通过 select 监控客户端请求事件, 收到事件后，通过 dispatch 进行分发
• 如果建立连接请求, 则右 Acceptor 通过accept 处理连接请求, 然后创建一个 Handler 对象处理完成连接后的各种事件
• 如果不是连接请求，则由 reactor 分发调用连接对应的 handler 来处理
• handler 只负责响应事件，不做具体的业务处理, 通过 read 读取数据后，会分发给后面的 worker 线程池的某个线程处理业务
• worker 线程池会分配独立线程完成真正的业务，并将结果返回给 handler
• handler 收到响应后，通过 send 将结果返回给 client

3.2.2 模型优缺点

优点：

• 可以充分的利用多核 cpu 的处理能力

缺点：

• 多线程数据共享和访问比较复杂， reactor 处理所有的事件的监听和响应，在单线程运行， 在高并发场景容易出现性能瓶颈

3.3 主从Reactor多线程

3.3.1 工作原理图

• Reactor 主线程 MainReactor 对象通过 select 监听连接事件, 收到事件后，通过 Acceptor 处理连接事件
• 当 Acceptor 处理连接事件后，MainReactor 将连接分配给 SubReactor
• subreactor 将连接加入到连接队列进行监听,并创建 handler 进行各种事件处理
• 当有新事件发生时， subreactor 就会调用对应的 handler 处理
• handler 通过 read 读取数据，分发给后面的 worker 线程处理
• worker 线程池分配独立的 worker 线程进行业务处理，并返回结果
• handler 收到响应的结果后，再通过 send 将结果返回给 client
• Reactor 主线程可以对应多个 Reactor 子线程, 即 MainRecator 可以关联多个 SubReactor

3.3.2 模型优缺点

优点：

• 父线程与子线程的数据交互简单职责明确，父线程只需要接收新连接，子线程完成后续的业务处理
• 父线程与子线程的数据交互简单，Reactor 主线程只需要把新连接传给子线程，子线程无需返回数据

缺点：

• 编程复杂度较高

3.4 Reactor模式小结

• 响应快，不必为单个同步时间所阻塞，虽然 Reactor 本身依然是同步的
• 可以最大程度的避免复杂的多线程及同步问题，并且避免了多线程/进程的切换开销
• 扩展性好，可以方便的通过增加 Reactor 实例个数来充分利用 CPU 资源
• 复用性好，Reactor 模型本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性

4. IO线程模型总结

通过本文我们也了解到传统阻塞IO线程的弊端，以及Reactor的三种具体分类。

我们可以将Reactor下的这三种模式理解为：

• 单 Reactor 单线程，前台接待员和服务员是同一个人，全程为顾客服务
• 单 Reactor 多线程，1 个前台接待员，多个服务员，接待员只负责接待
• 主从 Reactor 多线程，多个前台接待员，多个服务生

Netty采用的即是主从Reactor多线程模型，了解好IO线程模型对接下来的Netty学习有很大的帮助。

最后

以上就是幸福老鼠为你收集整理的Netty入门之IO线程模型(一)Netty入门之IO线程模型(一)的全部内容，希望文章能够帮你解决Netty入门之IO线程模型(一)Netty入门之IO线程模型(一)所遇到的程序开发问题。

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