07-Netty 高性能架构设计-线程模型(Reactor模式)

2022-02-18 13:51:59 浏览数 (1)

线程模型基本介绍

  1. 不同的线程模型, 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
    1. 传统阻塞IO服务模型
    2. Reactor模式
  3. 根据Reactor的数量和处理资源线程池的数量不同,有三种典型的实现
    1. 单 Reactor 单线程
    2. 单 Reactor 多线程
    3. 主从 Reactor 多线程
  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IO服务模型

工作原理图

  1. 黄色的框表示对象,蓝色的框表示线程
  2. 白色的框表示方法(API)

模型特点

  1. 采用阻塞IO模式获取驶入的数据
  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IO服务模型的两个缺点,解决方案

  1. 基于IO复用模型,多个连接公用一个阻塞对象,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,擦欧洲哦系统通知应用程序,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, 不必为每个连接都创建线程,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

IO复用结合线程池, 就是Reactor模式基本设计思想,如图

对上图说明:

  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. 服务器端程序处理传入的多个请求,并将他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, 他就像公司的电话接线员,他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IO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IO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

  • 单Reactor 单线程
  • 单Reactor 多线程
  • 主从Reactor 多线程

单Reactor 单线程

原理图, 并使用NIO群聊系统验证

方案说明

1. Select是前面IO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

3. 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

原理图

图小结

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. 如果建立连接请求，则右F 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handle

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

工作原理图

针对单Reactor多线程模型中，Reactor在单线程中运行，高并发场景下容易成为性能瓶颈，可以让Reactor在多线程中运行

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Jhandler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将结果返回给client

8. Reactor主线程可以对应多个Reactor子线程, 即MainRecator可以关联多个SubReactor

Scalable IO in java 对 Multiple Reactors的原理图解

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多进程模型，Memcached主从多线程，Netty主从多线程模型的支持

Reactor模式小结

三种模式用生活案例来理解

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

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模式具有以下的优点

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相模型本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性

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