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Reactor 模式
反应堆模式：“反应”器名字中”反应“的由来：
- “反应”即“倒置”，“控制逆转”, 具体事件处理程序不调用反应器，而向反应器注册一个事件处理器，表示自己对某些事件感兴趣，有时间来了，具体事件处理程序通过事件处理器对某个指定的事件发生做出反应。
单线程 Reactor 模式流程：
- ①服务器端的 Reactor 是一个线程对象，该线程会启动事件循环，并使用 Selector(选择器)来实现 IO 的多路复用。channel 注册一个 Acceptor 事件处理器到 Reactor 中，Acceptor 事件处理器所关注的事件是 ACCEPT 事件，这样 Reactor 会监听客户端向服务器端发起的连接请求事件(ACCEPT 事件)。
- ②客户端向服务器端发起一个连接请求，Reactor 监听到了该 ACCEPT 事件的发生并将该 ACCEPT 事件派发给相应的 Acceptor 处理器来进行处理。Acceptor 处理器通过 accept()方法得到与这个客户端对应的连接(SocketChannel)，然后将该连接所关注的 READ 事件以及对应的 READ 事件处理器注册到 Reactor 中，这样一来 Reactor 就会监听该连接的 READ 事件了。
- ③当 Reactor 监听到有读或者写事件发生时，将相关的事件派发给对应的处理器进行处理。比如，读处理器会通过 SocketChannel 的 read()方法读取数据，此时 read()操作可以直接读取到数据，而不会堵塞与等待可读的数据到来。
- ④每当处理完所有就绪的感兴趣的 I / O 事件后，Reactor 线程会再次执行 select()阻塞等待新的事件就绪并将其分派给对应处理器进行处理。
注意，Reactor 的单线程模式的单线程主要是针对于 I / O 操作而言，也就是所有的 I / O 的 accept()、read()、write()以及 connect()操作都在一个线程上完成的。
基于单线程反应器模式手写一个 NIO 通信
服务端处理器:
/**
* 类说明：nio 通信服务端处理器
*/
public class NioServerHandle implements Runnable{
private Selector selector;
private ServerSocketChannel serverChannel;
private volatile boolean started;
/**
* 构造方法
* @param port 指定要监听的端口号
*/
public NioServerHandle(int port) {
try {selector = Selector.open();
serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.configureBlocking(false);
serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
serverChannel.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);
started = true;
System.out.println("服务器已启动，端口号："+port);
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}
}
public void stop(){started = false;}
@Override
public void run() {
// 循环遍历 selector
while(started){
try{
// 阻塞, 只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续.
selector.select();
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();
SelectionKey key = null;
while(it.hasNext()){key = it.next();
it.remove();
try{handleInput(key);
}catch(Exception e){if(key != null){key.cancel();
if(key.channel() != null){key.channel().close();}
}
}
}
}catch(Throwable t){t.printStackTrace();
}
}
//selector 关闭后会自动释放里面管理的资源
if(selector != null)
try{selector.close();
}catch (Exception e) {e.printStackTrace();
}
}
private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException{if(key.isValid()){
// 处理新接入的请求消息
if(key.isAcceptable()){
// 获得关心当前事件的 channel
ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel)key.channel();
// 通过 ServerSocketChannel 的 accept 创建 SocketChannel 实例
// 完成该操作意味着完成 TCP 三次握手，TCP 物理链路正式建立
SocketChannel sc = ssc.accept();
System.out.println("======socket channel 建立连接");
// 设置为非阻塞的
sc.configureBlocking(false);
// 连接已经完成了，可以开始关心读事件了
sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
}
// 读消息
if(key.isReadable()){
System.out.println("======socket channel 数据准备完成，" +
"可以去读 == 读取 =======");
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
// 创建 ByteBuffer，并开辟一个 1M 的缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 读取请求码流，返回读取到的字节数
int readBytes = sc.read(buffer);
// 读取到字节，对字节进行编解码
if(readBytes>0){
// 将缓冲区当前的 limit 设置为 position=0，// 用于后续对缓冲区的读取操作
buffer.flip();
// 根据缓冲区可读字节数创建字节数组
byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
// 将缓冲区可读字节数组复制到新建的数组中
buffer.get(bytes);
String message = new String(bytes,"UTF-8");
System.out.println("服务器收到消息：" + message);
// 处理数据
String result = response(message) ;
// 发送应答消息
doWrite(sc,result);
}
// 链路已经关闭，释放资源
else if(readBytes<0){key.cancel();
sc.close();}
}
}
}
// 发送应答消息
private void doWrite(SocketChannel channel,String response)
throws IOException {
// 将消息编码为字节数组
byte[] bytes = response.getBytes();
// 根据数组容量创建 ByteBuffer
ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
// 将字节数组复制到缓冲区
writeBuffer.put(bytes);
//flip 操作
writeBuffer.flip();
// 发送缓冲区的字节数组
channel.write(writeBuffer);
}
}
public class NioServer {
private static NioServerHandle nioServerHandle;
public static void start(){if(nioServerHandle !=null)
nioServerHandle.stop();
nioServerHandle = new NioServerHandle(DEFAULT_PORT);
new Thread(nioServerHandle,"Server").start();}
public static void main(String[] args){start();
}
}客户端处理器：
public class NioClientHandle implements Runnable{
private String host;
private int port;
private Selector selector;
private SocketChannel socketChannel;
private volatile boolean started;
public NioClientHandle(String ip, int port) {
this.host = ip;
this.port = port;
try {
// 创建选择器
selector = Selector.open();
// 打开通道
socketChannel = SocketChannel.open();
// 如果为 true，则此通道将被置于阻塞模式；// 如果为 false，则此通道将被置于非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
started = true;
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}
}
public void stop(){started = false;}
@Override
public void run() {
try {doConnect();
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
System.exit(1);
}
// 循环遍历 selector
while(started){
try {
// 阻塞, 只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续
selector.select();
// 获取当前有哪些事件可以使用
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
// 转换为迭代器
Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();
SelectionKey key = null;
while(it.hasNext()){key = it.next();
it.remove();
try {handleInput(key);
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
if(key!=null){key.cancel();
if(key.channel()!=null){key.channel().close();}
}
}
}
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}
}
//selector 关闭后会自动释放里面管理的资源
if(selector!=null){
try {selector.close();
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}
}
}
// 具体的事件处理方法
private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException{if(key.isValid()){
// 获得关心当前事件的 channel
SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
if(key.isConnectable()){// 连接事件
if(sc.finishConnect()){}
else{System.exit(1);}
}
// 有数据可读事件
if(key.isReadable()){
// 创建 ByteBuffer，并开辟一个 1M 的缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 读取请求码流，返回读取到的字节数
int readBytes = sc.read(buffer);
// 读取到字节，对字节进行编解码
if(readBytes>0){
// 将缓冲区当前的 limit 设置为 position,position=0，// 用于后续对缓冲区的读取操作
buffer.flip();
// 根据缓冲区可读字节数创建字节数组
byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
// 将缓冲区可读字节数组复制到新建的数组中
buffer.get(bytes);
String result = new String(bytes,"UTF-8");
System.out.println("accept message:"+result);
}else if(readBytes<0){key.cancel();
sc.close();}
}
}
}
// 发送消息
private void doWrite(SocketChannel channel,String request)
throws IOException {
// 将消息编码为字节数组
byte[] bytes = request.getBytes();
// 根据数组容量创建 ByteBuffer
ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
// 将字节数组复制到缓冲区
writeBuffer.put(bytes);
//flip 操作
writeBuffer.flip();
// 发送缓冲区的字节数组
channel.write(writeBuffer);
}
private void doConnect() throws IOException {
/* 如果此通道处于非阻塞模式，则调用此方法将启动非阻塞连接操作。如果立即建立连接，就像本地连接可能发生的那样，则此方法返回 true。否则，此方法返回 false，稍后必须通过调用 finishConnect 方法完成连接操作。*/
if(socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host,port))){}
else{
// 连接还未完成，所以注册连接就绪事件，向 selector 表示关注这个事件
socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_CONNECT);
}
}
// 写数据对外暴露的 API
public void sendMsg(String msg) throws Exception{socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
doWrite(socketChannel,msg);
}
}
public class NioClient {
private static NioClientHandle nioClientHandle;
public static void start(){if(nioClientHandle !=null)
nioClientHandle.stop();
nioClientHandle = new NioClientHandle(DEFAULT_SERVER_IP,DEFAULT_PORT);
new Thread(nioClientHandle,"Client").start();}
// 向服务器发送消息
public static boolean sendMsg(String msg) throws Exception{nioClientHandle.sendMsg(msg);
return true;
}
public static void main(String[] args) throws Exception {start();
System.out.println("请输入请求信息：");
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while(NioClient.sendMsg(scanner.next()));
}
}
服务端过程：
- 启动服务端, 完成一些初始化工作,ServerSocketChannel 绑定端口并且注册接受连接事件.
- 循环里 selector.select()阻塞, 只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续, 循环里面处理发生的注册事件
- 注册事件发生时交给处理器, 若为接受连接则 accept 取出 socketChannel 并完成连接, 然后就是关注 read 读取事件即注册, 有数据读取了则处理器读取请求数据并返回.
客户端过程：
- 启动客户端, 完成一些初始化工作.
- 根据服务端 ip 及端口发起连接.
- 往服务端发送数据, 并注册 read 读取事件
- 循环里 selector.select()阻塞, 只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续, 循环里面处理发生的注册事件.
- 注册事件发生时交给处理器, 若为连接事件并且连接成功则跳过即不予处理等待读取事件发送.
初始化工作如打开 selector,channel, 设置通道模式是否阻塞.
单线程 Reactor，工作者线程池
但在单线程 Reactor 模式中，不仅 I / O 操作在该 Reactor 线程上，连非 I / O 的业务操作也在该线程上进行处理了，这可能会大大延迟 I / O 请求的响应。所以我们应该将非 I / O 的业务逻辑操作从 Reactor 线程上卸载，以此来加速 Reactor 线程对 I / O 请求的响应.
添加了一个工作者线程池，并将非 I / O 操作从 Reactor 线程中移出转交给工作者线程池来执行。这样能够提高 Reactor 线程的 I / O 响应，不至于因为一些耗时的业务逻辑而延迟对后面 I / O 请求的处理。
改进的版本中，所以的 I / O 操作依旧由一个 Reactor 来完成，包括 I / O 的 accept()、read()、write()以及 connect()操作。
对于一些小容量应用场景，可以使用单线程模型。但是对于高负载、大并发或大数据量的应用场景却不合适，主要原因如下：
- ① 一个 NIO 线程同时处理成百上千的链路，性能上无法支撑，即便 NIO 线程的 CPU 负荷达到 100%，也无法满足海量消息的读取和发送；
- ②当 NIO 线程负载过重之后，处理速度将变慢，这会导致大量客户端连接超时，超时之后往往会进行重发，这更加重了 NIO 线程的负载，最终会导致大量消息积压和处理超时，成为系统的性能瓶颈；
多 Reactor 线程模式
Reactor 线程池中的每一 Reactor 线程都会有自己的 Selector、线程和分发的事件循环逻辑。
mainReactor 可以只有一个，但 subReactor 一般会有多个。mainReactor 线程主要负责接收客户端的连接请求，然后将接收到的 SocketChannel 传递给 subReactor，由 subReactor 来完成和客户端的通信。
流程：
- ①注册一个 Acceptor 事件处理器到 mainReactor 中，Acceptor 事件处理器所关注的事件是 ACCEPT 事件，这样 mainReactor 会监听客户端向服务器端发起的连接请求事件(ACCEPT 事件)。启动 mainReactor 的事件循环。
- ②客户端向服务器端发起一个连接请求，mainReactor 监听到了该 ACCEPT 事件并将该 ACCEPT 事件派发给 Acceptor 处理器来进行处理。Acceptor 处理器通过 accept()方法得到与这个客户端对应的连接(SocketChannel)，然后将这个 SocketChannel 传递给 subReactor 线程池。
- ③subReactor 线程池分配一个 subReactor 线程给这个 SocketChannel，即，将 SocketChannel 关注的 READ 事件以及对应的 READ 事件处理器注册到 subReactor 线程中。当然你也注册 WRITE 事件以及 WRITE 事件处理器到 subReactor 线程中以完成 I / O 写操作。Reactor 线程池中的每一 Reactor 线程都会有自己的 Selector、线程和分发的循环逻辑。
- ④当有 I / O 事件就绪时，相关的 subReactor 就将事件派发给响应的处理器处理。注意，这里 subReactor 线程只负责完成 I / O 的 read()操作，在读取到数据后将业务逻辑的处理放入到线程池中完成，若完成业务逻辑后需要返回数据给客户端，则相关的 I / O 的 write 操作还是会被提交回 subReactor 线程来完成。
注意，所以的 I / O 操作 (包括，I/ O 的 accept()、read()、write() 以及 connect()操作)依旧还是在 Reactor 线程 (mainReactor 线程 或 subReactor 线程) 中完成的。Thread Pool(线程池)仅用来处理非 I / O 操作的逻辑。
多 Reactor 线程模式将“接受客户端的连接请求”和“与该客户端的通信”分在了两个 Reactor 线程来完成。mainReactor 完成接收客户端连接请求的操作，它不负责与客户端的通信，而是将建立好的连接转交给 subReactor 线程来完成与客户端的通信，这样一来就不会因为 read()数据量太大而导致后面的客户端连接请求得不到即时处理的情况。并且多 Reactor 线程模式在海量的客户端并发请求的情况下，还可以通过实现 subReactor 线程池来将海量的连接分发给多个 subReactor 线程，在多核的操作系统中这能大大提升应用的负载和吞吐量。
Netty 服务端 使用了“多 Reactor 线程模式”
正文完