Netty的线程模型

2022-08-09 13:04:16 浏览数 (1)

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  • Reactor模型
    • 单Reactor单线程模型
    • 单Reactor多线程模型
    • 主从Reactor多线程模型
  • Netty的线程模型
    • 简单 Netty线程模型
    • 详细Netty线程模型
    • Netty线程模型处理过程
    • 处理流程

Reactor模型

所有的技术架构都不是凭空捏造出来的，都是一步一步优化，升级出来的。 首先先看一下单Reactor单线程模型

单Reactor单线程模型

所有IO操作均由一个线程完成，即多路复用、事件分发和处理都在一个Reactor线程上完成的。既要接收客户端的请求，向服务器发起链接，又要发送读取请求或应答响应消息。一个NIO线程同时处理成千上万的链路，性能无法支撑，速度慢，若线程进入死循环，整个程序不可用，对于高负载、大并发的应用场景不合适。

1）Reactor 通过 select 监听客户端请求事件，收到事件之后通过 dispatch 进行分发

2）如果事件是建立连接的请求事件，则由 Acceptor 通过 accept 处理连接请求，然后创建一个 Handler 对象处理连接建立后的后续业务处理。

3）如果事件不是建立连接的请求事件，则由 Reactor 对象分发给连接对应的 Handler 处理。

4）Handler 会完成 read—>业务处理—>send 的完整处理流程。

优点 模型简单，没有多线程、进程通信、竞争的问题，一个线程完成所有的事件响应和业务处理。

缺点

  • 存在性能问题，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。
  • 存在可靠性问题，若线程意外终止，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。

单 Reactor 单线程模式使用场景为：

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为 O(1)的情况。

单Reactor多线程模型

一个NIO线程Acceptor只负责监听服务端，接收客户端的TCP连接请求；

线程池负责网络IO操作，消息的读取、发送、编码、解码。一个NIO线程可以同时处理N条链路，一个链路只能对应一个NIO线程，防止并发操作问题。但在并发百万客户端连接或需要安全认证时，一个 Acceptor 线程可能会存在性能不足问题。

这种模式的基本工作流程为：

1）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。

2）如果事件是建立连接的请求事件，则由 Acceptor 通过 accept 处理连接请求，然后创建一个 Handler 对象处理连接建立后的后续业务处理。

3）如果事件不是建立连接的请求事件，则由 Reactor 对象分发给连接对应的 Handler 处理。Handler 只负责响应事件，不做具体的业务处理，Handler 通过 read 读取到请求数据后，会分发给后面的 Worker 线程池来处理业务请求。

4）Worker 线程池会分配独立线程来完成真正的业务处理，并将处理结果返回给 Handler。Handler 通过 send 向客户端发送响应数据。

优点：

可以充分的利用多核 cpu 的处理能力，

缺点：

多线程数据共享和控制比较复杂，Reactor 处理所有的事件的监听和响应，在单线程中运行，面对高并发场景还是容易出现性能瓶颈。

主从Reactor多线程模型

Acceptor线程用于绑定监听端口，接收客户端连接，将SocketChannel从主线程池的Reactor线程的多路复用器移除，重新注册到sub线程池的线程上，用于处理IO操作，从而保证mainReactor只负责接入认证、握手等操作。

1）Reactor 主线程 MainReactor 对象通过 select 监听客户端连接事件，收到事件后，通过 Acceptor 处理客户端连接事件。

2）当 Acceptor 处理完客户端连接事件之后（与客户端建立好 Socket 连接），MainReactor 将连接分配给 SubReactor。（即：MainReactor 只负责监听客户端连接请求，和客户端建立连接之后将连接交由 SubReactor 监听后面的 IO 事件。）

3）SubReactor 将连接加入到自己的连接队列进行监听，并创建 Handler 对各种事件进行处理。

4）当连接上有新事件发生的时候，SubReactor 就会调用对应的 Handler 处理。

5）Handler 通过 read 从连接上读取请求数据，将请求数据分发给 Worker 线程池进行业务处理。

6）Worker 线程池会分配独立线程来完成真正的业务处理，并将处理结果返回给 Handler。Handler 通过 send 向客户端发送响应数据。

7）一个 MainReactor 可以对应多个 SubReactor

优点

  1. MainReactor 线程与 SubReactor 线程的数据交互简单职责明确 MainReactor 线程只需要接收新连接 SubReactor 线程完成后续的业务处理。
  2. MainReactor 线程与 SubReactor 线程的数据交互简单 MainReactor 线程只需要把新连接传给 SubReactor 线程 SubReactor 线程无需返回数据。
  3. 多个 SubReactor 线程能够应对更高的并发请求。

缺点

编程复杂度较高。但是由于其优点明显，在许多项目中被广泛使用，包括 Nginx、Memcached、Netty 等。

这种模式也被叫做服务器的 1 M N 线程模式，即使用该模式开发的服务器包含一个（或多个，1 只是表示相对较少）连接建立线程 M 个 IO 线程 N 个业务处理线程。这是业界成熟的服务器程序设计模式。

Netty的线程模型

Netty通过Reactor模型基于多路复用器接收并处理用户请求，内部实现了两个线程池，boss线程池和work线程池；

  • boss线程池 ：负责处理请求的accept事件，当接收accept事件的请求时，把对应的socket封装到NioSocketChannel中，交给work线程池。
  • work线程池 ：负责请求的read和write事件，由对应的Handler处理。

Netty 的设计主要基于主从 Reactor 多线程模式，并做了一定的改进。

简单 Netty线程模型

  1. BossGroup 线程维护 Selector，ServerSocketChannel 注册到这个 Selector 上，只关注连接建立请求事件（相当于主 Reactor）。
  2. 当接收到来自客户端的连接建立请求事件的时候，通过 ServerSocketChannel.accept 方法获得对应的 SocketChannel，并封装成 NioSocketChannel 注册到 WorkerGroup 线程中的 Selector，每个 Selector 运行在一个线程中（相当于从 Reactor）。
  3. 当 WorkerGroup 线程中的 Selector 监听到自己感兴趣的 IO 事件后，就调用 Handler 进行处理。

详细Netty线程模型

  1. 有两组线程池：BossGroup 和 WorkerGroup，BossGroup 中的线程（可以有多个，图中只画了一个）专门负责和客户端建立连接，WorkerGroup 中的线程专门负责处理连接上的读写。
    1. boss线程池的线程负责处理请求的accept事件，当接收到accept事件的请求时，把对应的socket封装到一个NioSocketChannel中，并交给work线程池
    2. work线程池负责请求的read和write事件，由对应的Handler处理。
  2. BossGroup 和 WorkerGroup 含有多个不断循环的执行事件处理的线程，每个线程都包含一个 Selector，用于监听注册在其上的 Channel。
  3. 每个 BossGroup 中的线程循环执行以下三个步骤：
    1. 轮训注册在其上的 ServerSocketChannel 的 accept 事件（OP_ACCEPT 事件）
    2. 处理 accept 事件，与客户端建立连接，生成一个 NioSocketChannel，并将其注册到 WorkerGroup 中某个线程上的 Selector 上
    3. 再去以此循环处理任务队列中的下一个事件
  4. 每个 WorkerGroup 中的线程循环执行以下三个步骤：
    1. 轮训注册在其上的 NioSocketChannel 的 read/write 事件（OP_READ/OP_WRITE 事件）
    2. 在对应的 NioSocketChannel 上处理 read/write 事件
    3. 再去以此循环处理任务队列中的下一个事件

Netty线程模型处理过程

处理流程

  1. Netty 抽象出两组线程池：BossGroup 和 WorkerGroup，也可以叫做 BossNioEventLoopGroup 和 WorkerNioEventLoopGroup。每个线程池中都有 NioEventLoop 线程。
    1. BossGroup 中的线程专门负责和客户端建立连接;
    2. WorkerGroup 中的线程专门负责处理连接上的读写。BossGroup 和 WorkerGroup 的类型都是 NioEventLoopGroup。
  2. NioEventLoopGroup 相当于一个事件循环组，这个组中含有多个事件循环，每个事件循环就是一个 NioEventLoop。
  3. NioEventLoop 表示一个不断循环的执行事件处理的线程，每个 NioEventLoop 都包含一个 Selector，用于监听注册在其上的 Socket 网络连接（Channel）。
  4. NioEventLoopGroup 可以含有多个线程，即可以含有多个 NioEventLoop。
  5. 每个 BossNioEventLoop 中循环执行以下三个步骤：
    1. select：轮训注册在其上的 ServerSocketChannel 的 accept 事件（OP_ACCEPT 事件
    2. processSelectedKeys：处理 accept 事件，与客户端建立连接，生成一个 NioSocketChannel，并将其注册到某个 WorkerNioEventLoop 上的 Selector 上
    3. runAllTasks：再去以此循环处理任务队列中的其他任务
  6. 每个 WorkerNioEventLoop 中循环执行以下三个步骤：
    1. select：轮训注册在其上的 NioSocketChannel 的 read/write 事件（OP_READ/OP_WRITE 事件）
    2. processSelectedKeys：在对应的 NioSocketChannel 上处理 read/write 事件
    3. runAllTasks：再去以此循环处理任务队列中的其他任务
  7. 在以上两个processSelectedKeys步骤中，会使用 Pipeline（管道），Pipeline 中引用了 Channel，即通过 Pipeline 可以获取到对应的 Channel，Pipeline 中维护了很多的处理器（拦截处理器、过滤处理器、自定义处理器等）

注意：一个Pipeline可以有多个Channel，一个Channel只对应一个Pipeline

服务端可以接受更多客户端的数据读写的能力，原因是：

  1. 创建专门用于接受客户端连接的 bossGroup 线程组，避免因为已连接的客户端的数据读写频繁，影响新的客户端的连接。
  2. 创建专门用于接收客户端读写的 workerGroup 线程组，多个线程进行客户端的数据读写，可以支持更多客户端。
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