09、Netty入门 - 线程模型概述

线程模型基本介绍

1、 不同的线程模式，对程序的性能有很大影响，为了搞清Netty线程模式，我们来系统的讲解下各个线程模式，最后看看Netty线程模型有什么优越性；

2、 目前存在的线程模型有：传统阻塞I/O服务模型、Reactor模式；

3、 根据Reactor的数量和处理资源池线程的数量不同，有3种典型的实现；

• 单Reactor单线程；

• 单Reactor多线程；

• 主从Reactor多线程；

4、 Netty线程模式（Netty主要基于主从Reactor多线程模型做了一定的改进，其中主从Reactor多线程模型有多个Reactor）；

传统阻塞I/O服务模型

工作原理图如下所示。

其中黄色的框表示对象，蓝色的框表示线程，黑色的框表示方法（API）

传统阻塞I/O服务模型

模型特点：

1、采用阻塞IO模式获取输入的数据；

2、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；

问题分析：

1、当并发数很大，就会创建大量的线程，占用很大系统资源；

2、连接创建后，如果当前线程暂时没有数据可读，该线程会阻塞在read操作，造成线程资源浪费；

Reactor模式

针对传统阻塞I/O服务模型的2个缺点，解决方案：

1、基于I/O服务模型：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，线程从阻塞状态返回，开始进行业务处理；

Reactor对应的叫法：1.反应器模式 2.分发者模式（Dispatcher） 3.通知者模式（notifier）

2、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。

I/O复用结合线程池，就是Reactor模式基本设计思想，如下图所示。

其中黄色的框表示对象，蓝色的框表示线程，黑色的框表示方法（API）

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；

3、Reactor模式使用IO复用监听事件，收到监听事件后，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；

Reactor模式中核心组成：

1、Reactor：Reactor在一个单独的线程中进行，负责监听和分发事件，分发给适当的处理程序对IO事件作出反映。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；

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，处理程序执行非阻塞操作。

Reactor模式分类：

根据Reactor的数量和处理资源池线程的数量不同，有3种典型的实现：

1、单Reactor单线程；

2、单Reactor多线程；

3、主从Reactor多线程；

单Reactor单线程

工作原理示意图。

单Reactor单线程原理图

方案说明：

1、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；

2、Reactor对象通过Select监听客户端请求事件，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；

4、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；

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。

方案优缺点分析：

1、**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。

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，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。

4、**使用场景：**客户端的数量有限，业务处理非常快速，比如Redis在业务处理的时间复杂度O(1)的情况。

单Reactor多线程

工作原理示意图如下所示。

方案说明：

1、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；

2、如果是建立连接请求，则由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；

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只负责下响应事件，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；

5、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；

6、handler收到响应后，通过send将结果返回给client。

方案优缺点分析：

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，在高并发场景容易出现性能瓶颈。

主从Reactor多线程

工作原理示意图如下所示。

方案说明：

1、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；

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、当有新事件发生时，SubReactor就会调用对应的handler处理；

5、handler通过read读取数据，分发给后面的worker线程处理；

6、worker线程池会分配独立的 worker 线程进行业务处理，并返回结果；

7、handler收到响应的结果后，再通过send方法将结果返回给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。

方案优缺点说明：

1、**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。

2、**优点：**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。

3、**缺点：**编程复杂度较高。

**结合实例：**这种模型在许多项目中广泛使用，包括Nginx主从Reactor多线程模型，Memcached主从多线程，Netty主从多线程模型的支持。

Reactor模式小结

1、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。

2、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。

3、主从Reactor多线程，多个前台接待员，多个服务生。

Reactor模式具有如下的优点：

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、扩展型好，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。