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对于网络编程而言，一方面需要保证基本功能的正确性，另一方面还需要保证程序的高性能。而网络程序高性能的主题之一就是网络IO，不同的IO模型，对程序的性能影响是非常明显的。
BIO线程模型
对于传统的网络框架而言，服务端通常采用的是BIO的通信模型。对于BIO通信模型，它通常使用一个专门的线程来负责接收网络连接，然后再为每一个连接单独创建一个线程来进行数据的读写、编解码、业务处理等操作。其IO模型可以用如下图表示。
显然，BIO的通信模型的优缺点很明显。优点就是程序的代码简单，复杂度低，开发人员容易上手。缺点是，对于每一个客户端连接，服务端都需要为其创建一个线程来处理数据，当并发较高时，就会创建很多线程，这对服务端而言简直就是灾难。因为创建太多线程后，系统资源会占用较高，而且CPU在多个线程之间进行切换时，频繁的切换上下文，会严重影响服务的性能。
既然线程创建太多了，那我们是不是可以使用线程池来解决问题呢？当一个新连接创建好以后，我们不再为其单独创建一个连接，而是将其交由线程池来处理，那这种方案是否可行呢？
答案是不行。为什么呢？线程池在这里只能解决线程无限增长的问题，但是在进行读写数据时，由于read操作和write操作都是阻塞的，在这段期间，线程会挂起，什么事情也干不了。当多个客户端来连接时，由于线程池中的线程，都阻塞在前面连接的读写数据操作上了，此时新来的连接，只能等待，所以对于BIO而言，使用线程池最终还是无法解决高并发的问题。
那么怎么办呢？这个时候NIO出现了，NIO是非阻塞IO。对于NIO而言，服务端和客户端之间的读写数据，不再是阻塞的了。基于NIO实现的网络框架，它们底层的IO模型通常是基于Reactor模型来实现的。Reactor模型又可以分为三种：单线程模型、多线程模型、主从多线程模型。
Reactor单线程模型
Reactor单线程模型中，只有一个线程。这个线程既负责客户端的接入，还负责数据的读写、编解码、业务逻辑处理等工作。IO模型示意图如下。
Reactor单线程使用的是异步非阻塞IO，所有的读写操作都是非阻塞的，因此理论上一个线程可以完成所有的工作。当一个新连接来接入时，通过Acceptor类可以进行TCP的连接，当TCP连接创建完成后，可以通过Dispatcher类将对应的请求数据（即ByteBuffer）派发到指定的Handler上进行编解码操作，最后再通过该线程将数据发送给客户端。 对于一个并发量较小的场景，可以使用单线程模型来处理。但是当并发较高时，单线程就无法满足了。理由如下：
- 一个NIO线程显然无法支撑多个连接的接入，即便NIO线程的CPU负荷达到100%，也无法满足海量数据的编解码、读取和发送。
- 当CPU负载较高后，处理就会变慢，这样就会造成大量的客户端出现连接超时。当客户端发现连接超时后，又会尝试进行重新请求，这样更加会加重NIO线程所在的CPU的负载，最终就会导致系统负载高，处理慢，成为系统的性能瓶颈。
- 可靠性低。一旦NIO线程因为处理数据中出现异常，或者进入到死循环，那将导致整个系统不可用。
Reactor多线程模型
为了解决Reactor单线程模型的问题，Reactor多线程模型出现了。在Reactor多线程模型中，由一个NIO线程来负责客户端的接入，连接创建完成后，再由一组线程来处理数据的读写、编解码、业务处理等操作。示意图如下。
在Reactor多线程模型中，由一个单独的NIO线程来充当Acceptor的角色，它负责监听服务端的端口，并接收客户端的连接。然后由一个线程池来处理数据的读写、编解码等操作。线程池可以采用Java中的线程池，它有一个任务队列和多个NIO线程，因此一个NIO线程可以同时处理多个连接，但是一个连接只属于一个NIO线程。 Reactor多线程完美的解决了单线程存在的问题，它也几乎能满足大部分应用场景。但是由于它只使用一个NIO线程来负责处理新连接的接入，因此在特殊场景下，例如新连接的创建，服务端需要进行安全认证等操作，由于认证可能会耗时较长，这个时候再使用一个线程来负责处理百万连接，显然无法满足要求，这最终会成为系统的性能瓶颈。
Reactor主从多线程模型
Reactor主从多线程模型则解决了多线程模型的缺点，主从多线程模型中由一组NIO线程来负责处理新连接的接入，另外一组NIO线程来处理IO读写、编解码、业务逻辑处理等操作。因此它是两个线程池，负责新连接接入的线程池称之为主线程池，负责数据读写、编解码操作的线程池称之为从线程池。其示意图如下：
当一个客户端来连接服务端时，主线程池会从线程池中选择出一个NIO线程，来充当Acceptor的角色，负责新连接的接入。当连接创建完成后，再将其通过Dispatcher派发到主线程池，由主线程来进行安全认证等操作，当安全认证等操作完成后，会将这个新连接绑定到从线程池的一个NIO线程上，后续则由这个NIO线程来进行数据的读写、编解码等操作。
Netty对Reactor三种线程模型的支持
Netty作为一款高性能的网络框架，它底层的网络IO模型采用了Reactor线程模型。在Netty中，它能很方便的在Reactor三种IO模型中进行切换。下面就来看看它是如何进行切换的。
- 在Netty中使用Reactor单线程模型
- 在Netty中使用Reactor多线程模型
- 在Netty中使用Reactor主从多线程模型
总结
- 本文主要介绍了BIO的IO模型，以及Reactor的三种IO模型，最后通过代码，简单演示了在Netty如何使用Reactor三种线程模型。关于BIO、NIO更详细的介绍，以及BIO、NIO和Netty的代码示例，可以参考这篇文章：如何从BIO演进到NIO，再到Netty
参考
- 本文参考了李林锋所编写的《Netty权威指南》、《Netty进阶之路-跟着案例学Netty》、《分布式服务框架原理与实践》。
- 文中的图片来源于极客时间《Netty源码剖析与实战》
