NIO之Reactor模式Netty序章 | 乐趣区

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”