Netty高性能架构设计原理之Reactor模型

Netty高性能架构设计原理

1.、线程模型

目前存在的线程模型

1. 传统阻塞I/O服务模型

2. Reactor模式

   根据Reactor的数量和处理资源池的数量不同，有3种实现

   1. 单Reactor单线程
   2. 单Reactor多线程、
   3. 主从Reactor多线程

3. Netty线程模式，主要基于主从Reactor多线程模型，其中（主从Reactor多线程模型有多个主从Reactor多线程模型）

2、传统阻塞I / O服务模型的 分析

2.1 工作原理

2.2模型特点

1. 采用阻塞I / O 模式获取输入数据
2. 每个连接都需要独立的线程完成数据输入，业务处理，数据返回

2.3 问题分析

1. 当并发量大，就会创建大量线程，占用很大的系统资源
2. 连接创建之后，如果当前现场暂时没有数据可读，该线程会阻塞在read操作，造成线程资源的浪费

3、Reactor模式

3.1 针对传统阻塞I / O 服务模型的2个确定，解决方案

1. 基于 I/O复用模型：多个连接共用一个阻塞对象，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，现场从阻塞状态返回，开始进行业务处理，Reactor对应的叫法： （有三种叫法，道理都一样）
   1. 反应器模式
   2. 分发者模式（Dispatcher）
   3. 通知者模式
2. 基于线程池复用：不必再为每个连接创建线程，将连接完成之后的业务处理任务分配给线程池处理，一个线程可以处理多个连接服务

3.2 I / O复用结合线程池，Reactor模式基本设计思想，如图

说明

1. Reactor模式，通过一个或多个输入同时传递给服务处理器的模式（基于事件驱动）
2. 服务端程序处理传入的多个请求，并将它们同步分派到相对应的处理线程，因此Reactor模式也叫做Dispatcher模式
3. 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），这点就是网路服务器 高并发处理关键

3.3Reactor模式中的核心组成

1. 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，它就行公司的电话接线员， 它接听来自客户的电话并将线路转移到适当的联系人；
2. 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，处理程序执行非在阻塞事件。

4. 单Reactor单线程

原理图

说明

1. Select 是前I /O 复用模型介绍的标准网络编程API，可实现应用程序通过一个阻塞对象监听多路连接请求
2. 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
3. 如果是建立连接，则由acceptor通过accept处理连接请求，然后创建一个Hanlder对象处理连接完成后的后续业务处理
4. 如果不是建立连接事件，则Reactor会分发调用连接对应的Handler
5. Handler会完成 Read -----> 业务处理 ----->Send的完整业务流程

结合实例:服务器端用一个线程通过多路复用搞定所有的IO 操作(包括连接，读、写等)，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，前面的NIO 案例就属于这种模型。

优缺点

1. 优点： 模型简单，没有多线程、进行铜线、竞争的问题，全部都在一个线程中完成
2. 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
3. 缺点：可靠性问题，现场意外终止，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
4. 使用场景：客户端数据有限，业务处理非常快，比例redis在业务处理的时间复杂度为O（1）的情况

5. 单Reactor多线程

原理图

说明

1. Reactor对象通过Select监控客户请求事件，收到事件后，通过Dispatch进行分发
2. 如果建立连接请求，则右Accept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
3. 如果不是连接请求，则由reactor分发调用连接对应的handler来处理
4. handler值负责响应事件，不做具体的业务处理，通过read读取数据后，会分发给后面的woker线程池的某个线程处理业务
5. worker线程池会分配独立线程完真正的业务，并将结果发挥给handler
6. handler收到响应后，通过send将结构返回给client（客户端）

优缺点

1. 优点：可以充分的利用多核cpu的处理能力
2. 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，在并发场景容易出现性能瓶颈

6.主从Reactor多线程

原理图

说明

1. Reactor主线程MainReactor对象通过select箭头连接事件，收到事件后，通过Acceptor处理连接事件
2. 当Acceptor处理连接事件后，MainReactor将连接分配给SubReactor
3. 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
4. 当有新的事件发生，subReactor就会调用对应的handler处理
5. handler通过rad读取数据，分发给后面的worker线程处理
6. worker线程池分配独立的worker线程进行业务处理，并返回结果
7. handler收到响应结果后，再通过send将结果返回给client
8. Reactor主线程可以对应多个Reactor子线程，即MainReactor可以关联多个subReactor

总结Reactor模型的优点

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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