Netty Reactor 线程模型笔记

引用:

https://www.cnblogs.com/TomSnail/p/6158249.html

https://www.cnblogs.com/heavenhome/articles/6554262.html

https://my.oschina.net/andylucc/blog/614295

1.3 Reactor

Reactor是一个同步的I/O多路复用模型，它没有Proactor模式那么复杂，原理图如下：

用户发起IO操作到事件分离器
事件分离器调用相应的处理器处理事件
事件处理完成，事件分离器获得控制权，继续相应处理

1.4 Proactor和Reactor的比较

Reactor模型简单，Proactor复杂
Reactor是同步处理方式，Proactor是异步处理方式
Proactor的IO事件依赖操作系统，操作系统须支持异步IO
同步与异步是相对于服务端与IO事件来说的，Proactor通过操作系统异步来完成IO操作，当IO完成后通知事件分离器，而Reactor需要自己完成IO操作

2 Reactor多线程模型

前面已经简单介绍了Proactor和Reactor模型，在实际中Proactor由于需要操作系统的支持，实现的案例不多，有兴趣的可以看一下Boost Asio的实现，我们主要说一下Reactor模型，Netty也是使用Reactor实现的。

但单线程的Reactor模型每一个用户事件都在一个线程中执行：

性能有极限，不能处理成百上千的事件
当负荷达到一定程度时，性能将会下降
单某一个事件处理器发送故障，不能继续处理其他事件

2.1 多线程Reactor

使用线程池的技术来处理I/O操作，原理图如下：

Acceptor专门用来监听接收客户端的请求
I/O读写操作由线程池进行负责
每个线程可以同时处理几个链路请求，但一个链路请求只能在一个线程中进行处理

2.2 主从多线程Reactor

在多线程Reactor中只有一个Acceptor，如果出现登录、认证等耗性能的操作，这时就会有单点性能问题，因此产生了主从Reactor多线程模型，原理如下：

Acceptor不再是一个单独的NIO线程，而是一个独立的NIO线程池
Acceptor处理完后，将事件注册到IO线程池的某个线程上
IO线程继续完成后续的IO操作
Acceptor仅仅完成登录、握手和安全认证等操作，IO操作和业务处理依然在后面的从线程中完成

3 Netty中Reactor模型的实现

Netty同时支持Reactor的单线程、多线程和主从多线程模型，在不同的应用中通过启动参数的配置来启动不同的线程模型。

通过线程池的线程个数、是否共享线程池方式来切换不同的模型

3.1 Netty中的Reactor模型

Netty中的Reactor模型如下图：

Acceptor中的NioEventLoop用于接收TCP连接，初始化参数
I/O线程池中的NioEventLoop异步读取通信对端的数据报，发送读事件到channel
异步发送消息到对端，调用channel的消息发送接口
执行系统调用Task
执行定时Task

3.2 NioEventLoop

NioEventLoop是Netty的Reactor线程，它在Netty Reactor线程模型中的职责如下：

1. 作为服务端Acceptor线程，负责处理客户端的请求接入

2. 作为客户端Connecor线程，负责注册监听连接操作位，用于判断异步连接结果

3. 作为IO线程，监听网络读操作位，负责从SocketChannel中读取报文

4. 作为IO线程，负责向SocketChannel写入报文发送给对方，如果发生写半包，会自动注册监听写事件，用于后续继续发送半包数据，直到数据全部发送完成

如下图，是一个NioEventLoop的处理链：

处理链中的处理方法是串行化执行的
一个客户端连接只注册到一个NioEventLoop上，避免了多个IO线程并发操作

3.2.1 Task

Netty Reactor线程模型中有两种Task:系统Task和定时Task

系统Task:创建它们的主要原因是，当IO线程和用户线程都在操作同一个资源时，为了防止并发操作时锁的竞争问题，将用户线程封装为一个Task，在IO线程负责执行，实现局部无锁化
定时Task：主要用于监控和检查等定时动作

基于以上原因，NioEventLoop不是一个纯粹的IO线程，它还会负责用户线程的调度

单线程模型：

private EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();

ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap()

                .group(group)

                .childHandler(new HeartbeatInitializer());

多线程模型：

private EventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup(1);

private EventLoopGroup work = new NioEventLoopGroup();

ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap()

                .group(boss,work)

                .childHandler(new HeartbeatInitializer());

主从多线程：

private EventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup();

private EventLoopGroup work = new NioEventLoopGroup();

ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap()

                .group(boss,work)

                .childHandler(new HeartbeatInitializer());

3.2.2 IO线程的分配细节

线程池对IO线程进行资源管理，是通过EventLoopGroup实现的。线程池平均分配channel到所有的线程（循环方式实现，不是100%准确），一个线程在同一时间只会处理一个通道的IO操作，这种方式可以确保我们不需要关心同步问题。

3.2.3 Selector

NioEventLoop是Reactor的核心线程，那么它就就必须实现多路复用。

Selector的过程如下：

首先oldWakenUp = wakenUp.getAndSet(false)
如果队列中有任务， selectNow()
如果没有select(),直达channel准备就绪，但此过程中循环次数超过限值也将rebuidSelectoror退出循环
执行processSelectedKeys和runAllTasks

epoll-bug的处理

在netty中对java nio的epoll bug进行了处理,就是设置一个阀值，如果超过了就rebuidSelector来避免epoll()死循环

3.2.4 NioEevntLoopGroup

EventExecutorGroup：提供管理EevntLoop的能力，他通过next()来为任务分配执行线程，同时也提供了shutdownGracefully这一优雅下线的接口

EventLoopGroup继承了EventExecutorGroup接口,并新添了3个方法

EventLoop next()
ChannelFuture register(Channel channel)
ChannelFuture register(Channel channel, ChannelPromise promise)

EventLoopGroup的实现中使用next().register(channel)来完成channel的注册，即将channel注册时就绑定了一个EventLoop，然后EvetLoop将channel注册到EventLoop的Selector上。

NioEventLoopGroup还有几点需要注意：

NioEventLoopGroup下默认的NioEventLoop个数为cpu核数 * 2，因为有很多的io处理
NioEventLoop和java的single线程池在5里差异变大了，它本身不负责线程的创建销毁，而是由外部传入的线程池管理
channel和EventLoop是绑定的，即一旦连接被分配到EventLoop，其相关的I/O、编解码、超时处理都在同一个EventLoop中，这样可以确保这些操作都是线程安全的

如上图，BossEventLoopGroup通常是一个单线程的EventLoop，EventLoop维护着一个注册了ServerSocketChannel的Selector(boss)实例，BoosEventLoop不断轮询Selector将连接事件分离出来，通常是OP_ACCEPT事件，然后将accept得到的SocketChannel交给WorkerEventLoopGroup，WorkerEventLoopGroup会由next选择其中一个EventLoopGroup来将这个SocketChannel注册到其维护的Selector[work eventloop]并对其后续的IO事件进行处理。在Reactor模式中BossEventLoopGroup主要是对多线程的扩展，而每个EventLoop的实现涵盖IO事件的分离，和分发（Dispatcher）。

另一个版本解释:

引用自: https://www.infoq.cn/article/netty-threading-model?utm_source=infoq&utm_medium=popular_links_homepage

1.2. Reactor 模型

无论是 C++ 还是 Java 编写的网络框架，大多数都是基于 Reactor 模式进行设计和开发，Reactor 模式基于事件驱动，特别适合处理海量的 I/O 事件。

1.2.1. 单线程模型

Reactor 单线程模型，指的是所有的 IO 操作都在同一个 NIO 线程上面完成，NIO 线程的职责如下：

1）作为 NIO 服务端，接收客户端的 TCP 连接；

2）作为 NIO 客户端，向服务端发起 TCP 连接；

3）读取通信对端的请求或者应答消息；

4）向通信对端发送消息请求或者应答消息。

Reactor 单线程模型示意图如下所示：

图 1-1 Reactor 单线程模型

由于 Reactor 模式使用的是异步非阻塞 IO，所有的 IO 操作都不会导致阻塞，理论上一个线程可以独立处理所有 IO 相关的操作。从架构层面看，一个 NIO 线程确实可以完成其承担的职责。例如，通过 Acceptor 类接收客户端的 TCP 连接请求消息，链路建立成功之后，通过 Dispatch 将对应的 ByteBuffer 派发到指定的 Handler 上进行消息解码。用户线程可以通过消息编码通过 NIO 线程将消息发送给客户端。

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编码、解码、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；

3）可靠性问题：一旦 NIO 线程意外跑飞，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。

为了解决这些问题，演进出了 Reactor 多线程模型，下面我们一起学习下 Reactor 多线程模型。

1.2.2. 多线程模型

Rector 多线程模型与单线程模型最大的区别就是有一组 NIO 线程处理 IO 操作，它的原理图如下：

图 1-2 Reactor 多线程模型

Reactor 多线程模型的特点：

1）有专门一个 NIO 线程 -Acceptor 线程用于监听服务端，接收客户端的 TCP 连接请求；

2）网络 IO 操作 - 读、写等由一个 NIO 线程池负责，线程池可以采用标准的 JDK 线程池实现，它包含一个任务队列和 N 个可用的线程，由这些 NIO 线程负责消息的读取、解码、编码和发送；

3）1 个 NIO 线程可以同时处理 N 条链路，但是 1 个链路只对应 1 个 NIO 线程，防止发生并发操作问题。

在绝大多数场景下，Reactor 多线程模型都可以满足性能需求；但是，在极个别特殊场景中，一个 NIO 线程负责监听和处理所有的客户端连接可能会存在性能问题。例如并发百万客户端连接，或者服务端需要对客户端握手进行安全认证，但是认证本身非常损耗性能。在这类场景下，单独一个 Acceptor 线程可能会存在性能不足问题，为了解决性能问题，产生了第三种 Reactor 线程模型 - 主从 Reactor 多线程模型。

1.2.3. 主从多线程模型

主从 Reactor 线程模型的特点是：服务端用于接收客户端连接的不再是个 1 个单独的 NIO 线程，而是一个独立的 NIO 线程池。Acceptor 接收到客户端 TCP 连接请求处理完成后（可能包含接入认证等），将新创建的 SocketChannel 注册到 IO 线程池（sub reactor 线程池）的某个 IO 线程上，由它负责 SocketChannel 的读写和编解码工作。Acceptor 线程池仅仅只用于客户端的登陆、握手和安全认证，一旦链路建立成功，就将链路注册到后端 subReactor 线程池的 IO 线程上，由 IO 线程负责后续的 IO 操作。

它的线程模型如下图所示：

图 1-3 主从 Reactor 多线程模型

利用主从 NIO 线程模型，可以解决 1 个服务端监听线程无法有效处理所有客户端连接的性能不足问题。

它的工作流程总结如下：

从主线程池中随机选择一个 Reactor 线程作为 Acceptor 线程，用于绑定监听端口，接收客户端连接；
Acceptor 线程接收客户端连接请求之后创建新的 SocketChannel，将其注册到主线程池的其它 Reactor 线程上，由其负责接入认证、IP 黑白名单过滤、握手等操作；
步骤 2 完成之后，业务层的链路正式建立，将 SocketChannel 从主线程池的 Reactor 线程的多路复用器上摘除，重新注册到 Sub 线程池的线程上，用于处理 I/O 的读写操作。