章 鼎鼎大名的Reactor模式

本章的原则是从基础讲起,而Reactor(反应器)模式是高性能网络编程在设计和架构层面的基础模式,算是基础的原理性知识。只有彻底了解反应器的原理,才能真正构建好高性能的网络应用、轻松地学习和掌握高并发通信服务器与框架(如Netty框架、Nginx服务器)。

正因为Reactor模式是高并发的重要基础原理,所以该模式也是BAT级别大公司必不可少的面试题。

9.1 Reactor模式的重要性

在详细介绍什么是Reactor模式之前,首先说明一下它的重要性。

到目前为止,高性能网络编程都绕不开Reactor模式。很多著名的服务器软件或者中间件都是基于Reactor模式实现的。例如,全宇宙有名的、高性能Web服务器Nginx就是基于Reactor模式的;如雷贯耳的Redis,作为高性能的缓存服务器之一,也是基于Reactor模式的;目前热门的在开源项目中应用极为广泛的高性能通信中间件Netty,还是基于Reactor模式的。

从开发的角度来说,要完成和胜任高性能的服务器开发,Reactor模式是必须学会和掌握的。从学习的角度来说,Reactor模式相当于高性能、高并发的一项非常重要的基础知识,只有掌握了它,才能真正理解和掌握NginxRedisNetty等这些大名鼎鼎的中间件技术。正因为如此,在大的互联网公司(如阿里、腾讯、京东)的面试过程中,Reactor模式相关的问题是经常出现的面试问题。

总之,Reactor模式是高性能网络编程必知、必会的模式。

9.1.1 为什么首先学习Reactor模式

本章的目标是学习基于Netty的开发高性能通信服务器。为什么在学习Netty之前首先要学习Reactor模式呢?

资深程序员都知道,Java程序不是按照顺序执行的逻辑来组织的。代码中所用到的设计模式在一定程度上已经演变成代码的组织方式。越是高水平的Java代码,抽象的层次越高,到处都是高度抽象和面向接口的调用,大量用到继承、多态、设计模式。

在阅读别人的源代码时,如果不了解代码所使用的设计模式,往往会晕头转向,不知身在何处,对代码跟踪和阅读都很成问题。反过来,如果先掌握到代码的设计模式,再去阅读代码,其过程就会变得很轻松,代码也就不会那么难懂了。

当然,在编写代码时,如果不能熟练地掌握设计模式,也很难写出高水平的Java代码。

本章的重要使命之一就是帮助大家学习和掌握高并发通信(包括Netty框架)。Netty本身很抽象,大量应用了设计模式。所以,学习像Netty这样的精品中的精品框架也是需要先从设计模式入手的,而Netty的整体架构是基于Reactor模式的。

所以,学习和掌握Reactor模式,对于开始学习高并发通信(包括Netty框架)的人来说,一定是磨刀不误砍柴工。

9.1.2 Reactor模式简介

本章站在巨人的肩膀上,引用一下Doug Lea大师在文章“Scalable IO in Java”中对Reactor模式的定义:

Reactor模式由Reactor线程、Handlers处理器两大角色组成,两大角色的职责分别如下:

1Reactor线程的职责:负责响应IO事件,并且分发到Handlers处理器。

2Handlers处理器的职责:非阻塞的执行业务处理逻辑。

说明

Doug Lea是一位让人无限景仰的大师,是JavaConcurrent并发包(简称JUC包)的作者。Concurrent并发包的原理和使用是一个Java工程师必备的基础知识,有关其具体内容请参阅《Java高并发核心编程 卷2:多线程、锁、JMMJUC、高并发设计模式》。

从上面的Reactor模式定义中看不出这种模式有什么神奇的地方。当然,从简单到复杂,Reactor模式也有很多版本,前面的定义仅仅是最为简单的一个版本。如果需要彻底了解Reactor模式,还得从最原始的OIO编程开始讲起。

9.1.3 多线程OIO的致命缺陷

JavaOIO编程中,原始的网络服务器程序一般使用一个while循环不断地监听端口是否有新的连接。如果有,就调用一个处理函数来完成传输处理。示例代码如下:

while(true){

    socket = accept(); //阻塞,接收连接

    handle(socket) ;   //读取数据、业务处理、写入结果

}

这种方法的最大问题是:如果前一个网络连接的handle(socket)没有处理完,那么后面的新连接无法被服务端接收,于是后面的请求就会被阻塞,导致服务器的吞吐量太低。这对于服务器来说是一个严重的问题。

为了解决这个严重的连接阻塞问题,出现了一个极为经典的模式:Connection Per Thread(一个线程处理一个连接)模式。示例代码如下:

package cn.edu.bbc.computer.iodemo.OIO;

//省略import导入的Java

class ConnectionPerThread implements Runnable {

    public void run() {

        try {

            //服务器监听socket

            ServerSocketserverSocket =

                    new ServerSocket(NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_PORT);

            while (!Thread.interrupted()) {

                Socket socket = serverSocket.accept();

                //接收一个连接后,为socket连接,新建一个专属的处理器对象

                Handler handler = new Handler(socket);

                //创建新线程,专门负责一个连接的处理

                new Thread(handler).start();

            }

 

        } catch (IOException ex) { /* 处理异常 */ }

    }

    //处理器,这里将内容回显到客户端

    static class Handler implements Runnable {

        final Socket socket;

        Handler(Socket s) {

            socket = s;

        }

        public void run() {

            while (true) {

                try {

                    byte[] input = new byte[1024];

                    /* 读取数据 */

                    socket.getInputStream().read(input);

                    /* 处理业务逻辑,获取处理结果*/

                    byte[] output =null;

                    /* 写入结果 */

                    socket.getOutputStream().write(output);

                } catch (IOException ex) { /*处理异常*/ }

            }

        }

    }

}

以上示例代码中,对于每一个新的网络连接都分配给一个线程。每个线程都独自处理自己负责的socket连接的输入和输出。当然,服务器的监听线程也是独立的,任何socket连接的输入和输出处理都不会阻塞到后面新socket连接的监听和建立,这样服务器的吞吐量就得到了提升。早期版本的Tomcat服务器就是这样实现的。

Connection Per Thread模式(一个线程处理一个连接)的优点是解决了前面的新连接被严重阻塞的问题,在一定程度上较大地提高了服务器的吞吐量。

Connection Per Thread模式的缺点是对应于大量的连接,需要耗费大量的线程资源,对线程资源要求太高。在系统中,线程是比较昂贵的系统资源。如果线程的数量太多,系统将无法承受。而且,线程的反复创建、销毁、切换也需要代价。因此,在高并发的应用场景下,多线程OIO的缺陷是致命的。

新的问题来了:如何减少线程数量?比如说让一个线程同时负责处理多个socket连接的输入和输出,行不行?看上去没有什么不可以,实际上作用不大。因为在传统OIO编程中每一次socket传输的IO读写处理都是阻塞的。在同一时刻,一个线程里只能处理一个socket的读写操作,前一个socket操作被阻塞了,其他连接的IO操作同样无法被并行处理。所以,在OIO中,即使是一个线程同时负责处理多个socket连接的输入和输出,同一时刻该线程也只能处理一个连接的IO操作。

如何解决Connection Per Thread模式的巨大缺陷呢?一个有效途径是使用Reactor模式。用Reactor模式对线程的数量进行控制,做到一个线程处理大量的连接。那么它是如何做到的呢?首先来看一个简单的版本——单线程的Reactor模式。

 

9.2 单线程Reactor模式

总体来说,Reactor模式有点类似事件驱动模式。在事件驱动模式中,当有事件触发时,事件源会将事件分发到Handler(处理器),由Handler负责事件处理。Reactor模式中的反应器角色类似于事件驱动模式中的事件分发器(Dispatcher)角色。

具体来说,在Reactor模式中有ReactorHandler两个重要的组件:

1Reactor:负责查询IO事件,当检测到一个IO事件时将其发送给相应的Handler处理器去处理。这里的IO事件就是NIO中选择器查询出来的通道IO事件。

2Handler:与IO事件(或者选择键)绑定,负责IO事件的处理,完成真正的连接建立、通道的读取、处理业务逻辑、负责将结果写到通道等。

9.2.1 什么是单线程Reactor

什么是单线程版本的Reactor模式呢?简单地说,ReactorHandlers处于一个线程中执行。这是最简单的Reactor模型,如图4-1所示。

4-1 单线程Reactor模式

基于Java NIO如何实现简单的单线程版本的Reactor模式呢?需要用到SelectionKey(选择键)的几个重要的成员方法:

1void attach(Object o):将对象附加到SelectionKey

此方法可以将任何Java POJO对象作为附件添加到SelectionKey实例。此方法非常重要,因为在单线程版本的Reactor模式实现中可以将Handler实例作为附件添加到SelectionKey实例。

2Object attachment():从SelectionKey获取附加对象。

此方法与attach(Object o)是配套使用的,其作用是取出之前通过attach(Object o)方法添加到SelectionKey实例的附加对象。这个方法同样非常重要,当IO事件发生时,SelectionKey将被select方法查询出来,可以直接将SelectionKey的附件对象取出。

Reactor模式实现中,通过attachment()方法所取出的是之前通过attach(Object o)方法绑定的Handler实例,然后通过该Handler实例完成相应的传输处理。

总之,在Reactor模式中,需要将attachattachment结合使用:在SelectionKey注册完成之后调用attach()方法,将Handler实例绑定到SelectionKey;当IO事件发生时调用attachment()方法,可以从SelectionKey取出Handler实例,将事件分发到Handler处理器中完成业务处理。

9.2.2 单线程Reactor的参考代码

Doug Lea“Scalable IO in Java”一文中实现了一个单线程Reactor模式的参考代码。这里,我们站在巨人的肩膀上,借鉴Doug Lea的实现,对Reactor模式进行介绍。为了方便说明,本章Doug Lea的参考代码进行一些适当的修改。具体的参考代码如下:

package cn.edu.bbc.computer.ReactorModel;

//省略import

//单线程Reactor

class EchoServerReactor implements Runnable {

    Selector selector;

    ServerSocketChannel serverSocket;

    //构造函数

    EchoServerReactor() throws IOException {

        //省略:打开选择器、serverSocket连接监听通道

        //注册serverSocketaccept新连接接收事件

        SelectionKey sk =serverSocket.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);

        //将新连接处理器作为附件,绑定到sk选择键

        sk.attach(new AcceptorHandler());

    }

 

    public void run() {

        //选择器轮询

        try {

            while (!Thread.interrupted()) {

                selector.select();

                Set selected = selector.selectedKeys();

                Iterator it = selected.iterator();

                while (it.hasNext()) {

                   //反应器负责dispatch收到的事件

                    SelectionKey sk=it.next();

                    dispatch(sk);

                }

                selected.clear();

            }

        } catch (IOException ex) { ex.printStackTrace(); }

    }

    //反应器的分发事件

    void dispatch(SelectionKey k) {

        Runnable handler = (Runnable) (k.attachment());

        //调用之前绑定到选择键的handler对象

        if (handler != null) {

            handler.run();

        }

    }

    //处理器:处理新连接

    class AcceptorHandler implements Runnable {

        public void run() {

            //接受新连接

            SocketChannel channel = serverSocket.accept();

            //需要为新连接创建一个输入输出的handler

             if (channel != null)

                    new EchoHandler(selector, channel);

    }

    }

    //

}

在上面的代码中设计了一个Handler,叫作AcceptorHandler处理器,它是一个内部类。在注册serverSocket服务监听连接的接受事件之后,创建一个AcceptorHandler新连接处理器的实例作为附件,被附加(attach)到SelectionKey中。

//serverSocket注册新连接接受(accept)事件

SelectionKeysk =serverSocket.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);

//将新连接处理器作为附件,绑定到sk选择键

sk.attach(new AcceptorHandler());

当新连接事件发生后,取出之前附加到SelectionKey中的Handler业务处理器进行socket的各种IO处理。

void dispatch(SelectionKey k) {

        Runnable r = (Runnable) (k.attachment());

        //调用之前绑定到选择键的处理器对象

        if (r != null) {

           r.run();

        }

}

处理器AcceptorHandler的两大职责是完成新连接的接收工作、为新连接创建一个负责数据传输的Handler(称之为IOHandler)。

//新连接处理器

class AcceptorHandler implements Runnable {

     public void run() {

      //接受新连接

       SocketChannel channel = serverSocket.accept();

       //需要为新连接创建一个输入输出的Handler

       if (channel != null)  new EchoHandler(selector, channel);        }

}

顾名思义,IOHandler就是负责socket连接的数据输入、业务处理、结果输出。该处理器的示例代码大致如下:

package cn.edu.bbc.computer.ReactorModel;

//负责数据传输的Handler

class IOHandler implements Runnable {

    final SocketChannel channel;

    final SelectionKey sk;

    IOHandler (Selector selector, SocketChannel c) {

        channel = c;

        c.configureBlocking(false);

        //与之前的注册方式不同,先仅仅取得选择键,之后再单独设置感兴趣的IO事件

        sk = channel.register(selector, 0);  //仅仅取得选择键

        //Handler处理器作为选择键的附件

        sk.attach(this);

        //注册读写就绪事件

        sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_WRITE);

    }

    public void run()  {

    //…处理输入和输出

   }

}

在传输处理器IOHandler的构造器中,有两点比较重要:

1)将新的SocketChannel传输通道注册到Reactor类的同一个选择器中。这样保证了Reactor在查询IO事件时能查询到Handler注册到选择器的IO事件(数据传输事件)。

2Channel传输通道注册完成后,将IOHandler实例自身作为附件附加到选择键中。这样,在Reactor类分发事件(选择键)时,能执行到IOHandlerrun()方法,完成数据传输处理。

如果由于上面的示例代码过于复杂而导致不能被快速理解,可以参考下面的EchoServer回显服务器实例,自己动手开发一个可以执行的单线程反应器实例。

9.2.3 单线程Reactor模式的EchoServer的实战案例

EchoServer的功能很简单:读取客户端的输入并回显到客户端,所以也叫回显服务器。基于Reactor模式来实现,设计三个重要的类:

1)设计一个反应器类:EchoServerReactor类。

2)设计两个处理器类:AcceptorHandler新连接处理器、EchoHandler回显处理器。

反应器类EchoServerReactor的实现思路和前面的示例代码基本上相同,具体如下:

package cn.edu.bbc.computer.ReactorModel;

//省略import

//反应器

class EchoServerReactor implements Runnable {

    Selector selector;

    ServerSocketChannel serverSocket;

    //构造器

    EchoServerReactor() throws IOException {

         //省略:获取选择器、开启serverSocket服务监听通道

         //省略:绑定AcceptorHandler新连接处理器到selectKey

    }

    //轮询和分发事件

    public void run() {

        try {

            while (!Thread.interrupted()) {

                selector.select();

                Set<SelectionKey> selected = selector.selectedKeys();

                Iterator<SelectionKey> it = selected.iterator();

                while (it.hasNext()) {

                    //反应器负责dispatch收到的事件

                    SelectionKey sk = it.next();

                    dispatch(sk);

                }

                selected.clear();

            }

        } catch (IOException ex) {

            ex.printStackTrace();

          }

    }

    //反应器的事件分发

    void dispatch(SelectionKeysk) {

        Runnable handler = (Runnable) sk.attachment();

        //调用之前,附加绑定到选择键的handler对象

        if (handler != null) {

            handler.run();

        }

    }

 

    //Handler之一:新连接处理器

    class AcceptorHandler implements Runnable {

        public void run() {

            try {

                SocketChannel channel = serverSocket.accept();

                if (channel != null)

                    new EchoHandler(selector, channel);

            } catch (IOException e) {

                e.printStackTrace();

             }

        }

    }

 

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        new Thread(new EchoServerReactor()).start();

    }

}

第二个处理器为EchoHandler回显处理器,也是一个传输处理器,主要是完成客户端的内容读取和回显,具体如下:

import cn.edu.bbc.computer.util.Logger;

//

class EchoHandler implements Runnable {

    final SocketChannel channel;

    final SelectionKey sk;

    final ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

   //处理器实例的状态:发送和接收,一个连接对应一个处理器实例

    static final int RECIEVING = 0, SENDING = 1;

    int state = RECIEVING;

    //构造器

    EchoHandler(Selector selector, SocketChannel c)  {

        channel = c;

        c.configureBlocking(false);

        //取得选择键,再设置感兴趣的IO事件

        sk = channel.register(selector, 0);

        //Handler自身作为选择键的附件,一个连接对应一个处理器实例

        sk.attach(this);

        //注册Read就绪事件

        sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);

        selector.wakeup();

    }

 

    public void run() {

        try {

            if (state == SENDING) {

                //发送状态,把数据写入连接通道

                channel.write(byteBuffer);

                //byteBuffer切换成写模式,写完后,就准备开始从通道读

                byteBuffer.clear();

                //注册read就绪事件,开始接收客户端数据

                sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);

                //修改状态,进入接收状态

                state = RECIEVING;

            } else if (state == RECIEVING) {

                //接收状态,从通道读取数据

                int length = 0;

                while ((length = channel.read(byteBuffer)) > 0) {

              Logger.info(new String(byteBuffer.array(), 0, length));

                }

                //读完后,翻转byteBuffer的读写模式

                byteBuffer.flip();

                //准备写数据到通道,注册write就绪事件

                sk.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);

                //注册完成后,进入发送状态

                state = SENDING;

            }

            //处理结束了,这里不能关闭select key,需要重复使用

            //sk.cancel();

        } catch (IOException ex) {

            ex.printStackTrace();

        }

    }

}

以上代码是一个基于Reactor模式的EchoServer回显服务器的完整实现。它是一个单线程版本的Reactor模式,Reactor和所有的Handler实例都在同一条线程中执行。

运行EchoServerReactor类中的main()方法,可以启动回显服务器。如果要看到具体的回显输出,还需要启动客户端程序。客户端的代码在同一个包下,其类名为EchoClient,它的主要职责为数据的发送。打开源代码工程,直接运行即可。由于篇幅原因,这里不再贴出客户端的代码。

9.2.4 单线程Reactor模式的缺点

单线程Reactor模式是基于JavaNIO实现的。相对于传统的多线程OIOReactor模式不再需要启动成千上万条线程,避免了线程上下文的频繁切换,服务端的效率自然是大大提升了。

在单线程Reactor模式中,ReactorHandler都在同一条线程中执行。这样,带来了一个问题:当其中某个Handler阻塞时,会导致其他所有的Handler都得不到执行。在这种场景下,被阻塞的Handler不仅仅负责输入和输出处理的传输处理器,还包括负责新连接监听的AcceptorHandler处理器,可能导致服务器无响应。这是一个非常严重的缺陷,导致单线程反应器模型在生产场景中使用得比较少。

除此之外,目前的服务器都是多核的,单线程Reactor模式模型不能充分利用多核资源。总之,在高性能服务器应用场景中,单线程Reactor模式实际使用的很少。

9.3 多线程Reactor模式

ReactorHandler挤在单个线程中会造成非常严重的性能缺陷,可以使用多线程来对基础的Reactor模式进行改造和演进。

9.3.1 多线程版本的Reactor模式演进

多线程Reactor的演进分为两个方面:

1)升级Handler。既要使用多线程,又要尽可能高效率,则可以考虑使用线程池。

2)升级Reactor。可以考虑引入多个Selector(选择器),提升选择大量通道的能力。

总体来说,多线程版本的Reactor模式大致如下:

1)将负责数据传输处理的IOHandler处理器的执行放入独立的线程池中。这样,业务处理线程与负责新连接监听的反应器线程就能相互隔离,避免服务器的连接监听受到阻塞。

2)如果服务器为多核的CPU,可以将反应器线程拆分为多个子反应器(SubReactor)线程;同时,引入多个选择器,并且为每一个SubReactor引入一个线程,一个线程负责一个选择器的事件轮询。这样充分释放了系统资源的能力,也大大提升了反应器管理大量连接或者监听大量传输通道的能力。

9.3.2 多线程版本Reactor的实战案例

在前面的“回显服务器”(EchoServerReactor)的基础上完成多线程反应器的升级。多线程反应器的实战案例设计如下:

1)引入多个选择器。

2)设计一个新的子反应器(SubReactor)类,子反应器负责查询一个选择器。

3)开启多个处理线程,一个处理线程负责执行一个子反应器。

为了提升效率,可以让SubReactor的数量和选择器的数量一致,避免多个线程负责一个选择器,导致需要进行线程同步,引起效率降低。

多线程版本反应器MultiThreadEchoServerReactor的逻辑模型如图4-2所示。

图4-2 多线程版本反应器MultiThreadEchoServerReactor的逻辑模型

多线程版本反应器MultiThreadEchoServerReactor的参考代码大致如下:

package cn.edu.bbc.computer.ReactorModel;

//…

//多线程版本反应器

public class MultiThreadEchoServerReactor {
    ServerSocketChannel serverSocket;
    AtomicInteger next = new AtomicInteger(0);
    Selector bossSelector = null;
    Reactor bossReactor = null;
    //selectors集合,引入多个selector选择器
    Selector[] workSelectors = new Selector[2];
    //引入多个子反应器
    Reactor[] workReactors = null;

    public MultiThreadEchoServerReactor() throws IOException {
        bossSelector = Selector.open();
        //初始化多个selector选择器
        workSelectors[0] = Selector.open();
        workSelectors[1] = Selector.open();
        serverSocket = ServerSocketChannel.open();

        InetSocketAddress address =
                new InetSocketAddress(NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_IP,
                        NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_PORT);
        serverSocket.socket().bind(address);
        //非阻塞
        serverSocket.configureBlocking(false);
        //bossSelector,负责监控新连接事件
        SelectionKey sk =
                serverSocket.register(bossSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        //附加新连接处理handler处理器到SelectionKey(选择键)
        sk.attach(new AcceptorHandler());
        //处理新连接的反应器
        bossReactor = new Reactor(bossSelector);
        //第一个子反应器,一子反应器负责一个选择器
        Reactor subReactor1 = new Reactor(workSelectors[0]);
        //第二个子反应器,一子反应器负责一个选择器
        Reactor subReactor2 = new Reactor(workSelectors[1]);
        workReactors = new Reactor[]{subReactor1, subReactor2};
    }

    private void startService() {
        new Thread(bossReactor).start();
        // 一子反应器对应一条线程
        new Thread(workReactors[0]).start();
        new Thread(workReactors[1]).start();
    }

    //反应器
    class Reactor implements Runnable {
        //每条线程负责一个选择器的查询
        final Selector selector;

        public Reactor(Selector selector) {
            this.selector = selector;
        }

        public void run() {
            try {
                while (!Thread.interrupted()) {
                    //单位为毫秒
                    selector.select(1000);
                    Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
                    if (null == selectedKeys || selectedKeys.size() == 0) {
                        continue;
                    }
                    Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();
                    while (it.hasNext()) {
                        //Reactor负责dispatch收到的事件
                        SelectionKey sk = it.next();
                        dispatch(sk);
                    }
                    selectedKeys.clear();
                }
            } catch (IOException ex) {
                ex.printStackTrace();
            }
        }

        void dispatch(SelectionKey sk) {
            Runnable handler = (Runnable) sk.attachment();
            //调用之前attach绑定到选择键的handler处理器对象
            if (handler != null) {
                handler.run();
            }
        }
    }
    // Handler:新连接处理器
    class AcceptorHandler implements Runnable {
        public void run() {
            try {
                SocketChannel channel = serverSocket.accept();
                Logger.info("接收到一个新的连接");

                if (channel != null) {
                    int index = next.get();
                    Logger.info("选择器的编号:" + index);
                    Selector selector = workSelectors[index];//分配一个处理传输的selector
                    new MultiThreadEchoHandler(selector, channel);
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            if (next.incrementAndGet() == workSelectors.length) {
                next.set(0);
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        MultiThreadEchoServerReactor server =
                new MultiThreadEchoServerReactor();
        server.startService();
    }
}

上面是反应器的多线程版本演进代码,创建了两个子反应器,负责查询和分发两个选择器的事件。

总共有两个选择器:第一个选择器专门负责查询和分发新连接事件,第二个选择器专门负责查询和分发IO传输事件。

总共有两条事件轮询线程:第一条线程为新连接事件轮询线程,专门轮询第一个选择器;第二条线程为IO事件轮询线程,专门轮询第二个选择器。

服务端的监听通道注册到第一个选择器,而所有的Socket传输通道都注册到第二个选择器,从而实现了新连接监听和IO读写事件监听的线程分离。

接下来为大家演示一下Handler的多线程演进。

9.3.3 多线程版本Handler的实战案例

仍然基于前面的单线程Reactor模式的回显处理器的程序代码加以改进,新的回显处理器为MultiThreadEchoHandler,主要的升级是引入了一个线程池(ThreadPool),使得数据传输和业务处理的代码执行在独立的线程池中,彻底地做到IO处理以及业务处理线程和反应器IO事件轮询线程的完全隔离。这个实战案例的代码如下:

class MultiThreadEchoHandler implements Runnable {
    final SocketChannel channel;
    final SelectionKey sk;
    final ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    static final int RECIEVING = 0, SENDING = 1;
    int state = RECIEVING;
    //引入线程池
    static ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(4);

    MultiThreadEchoHandler(Selector selector, SocketChannel c) throws IOException {
        channel = c;
        channel.configureBlocking(false);

        //唤醒选择,防止register boss线程被阻塞,netty 处理方式比较优雅,会在同一个线程注册事件,避免阻塞boss
        selector.wakeup();

        //仅仅取得选择键,后设置感兴趣的IO事件
        sk = channel.register(selector, 0);
        //将本Handler作为sk选择键的附件,方便事件dispatch
        sk.attach(this);
        //sk选择键注册Read就绪事件
        sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);

        //唤醒选择,是的OP_READ生效
        selector.wakeup();
        Logger.info("新的连接 注册完成");

    }

    public void run() {
        //异步任务,在独立的线程池中执行
        pool.execute(new AsyncTask());
    }

    //异步任务,不在Reactor线程中执行
    public synchronized void asyncRun() {
        try {
            if (state == SENDING) {
                //写入通道
                channel.write(byteBuffer);

                //写完后,准备开始从通道读,byteBuffer切换成写模式
                byteBuffer.clear();
                //写完后,注册read就绪事件
                sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                //写完后,进入接收的状态
                state = RECIEVING;
            } else if (state == RECIEVING) {
                //从通道读
                int length = 0;
                while ((length = channel.read(byteBuffer)) > 0) {
                    Logger.info(new String(byteBuffer.array(), 0, length));
                }
                //读完后,准备开始写入通道,byteBuffer切换成读模式
                byteBuffer.flip();
                //读完后,注册write就绪事件
                sk.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
                //读完后,进入发送的状态
                state = SENDING;
            }
            //处理结束了, 这里不能关闭select key,需要重复使用
            //sk.cancel();
        } catch (IOException ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
    }

    //异步任务的内部类
    class AsyncTask implements Runnable {
        public void run() {
            MultiThreadEchoHandler.this.asyncRun();
        }
    }

}

以上代码中,IO操作和业务处理被提交到线程池中异步执行,为了避免发送和读取的状态混乱,需要进行线程安全处理,这里在asyncRun()方法的前面加上synchronized同步修饰符。

至此,多线程版本的Reactor模式实战案例的代码介绍完毕,可以开始执行新版本的多线程MultiThreadEchoServerReactor服务器。当然,也可以执行之前的EchoClient客户端程序,完成整个回显的通信演示。

由于演示程序的输出结果与前面单线程版本的EchoServer运行输出是一模一样的,因此这里不再贴出程序的执行结果。

9.4 Reactor模式的优缺点

在总结Reactor模式的优点和缺点之前,先看看Reactor模式和其他模式的对比,加强一下对它的理解。

1Reactor模式和生产者消费者模式对比

二者的相似之处:在一定程度上,Reactor模式有点类似生产者消费者模式。在生产者消费者模式中,一个或多个生产者将事件加入一个队列中,一个或多个消费者主动从这个队列中拉取(Pull)事件来处理。

二者的不同之处:Reactor模式是基于查询的,没有专门的队列去缓冲存储IO事件,查询到IO事件之后,反应器会根据不同IO选择键(事件)将其分发给对应的Handler来处理。

2Reactor模式和观察者模式对比

二者的相似之处:在Reactor模式中,当查询到IO事件后,服务处理程序使用单路/多路分发(Dispatch)策略,同步分发这些IO事件。观察者模式(Observer Pattern)也被称作发布/订阅模式,它定义了一种依赖关系,让多个观察者同时监听某一个主题(Topic)。这个主题对象在状态发生变化时会通知所有观察者,它们能够执行相应的处理。

二者的不同之处:在Reactor模式中,Handler实例和IO事件(选择键)的订阅关系基本上是一个事件绑定到一个Handler,每一个IO事件(选择键)被查询后,反应器会将事件分发给所绑定的Handler,也就是一个事件只能被一个Handler处理;在观察者模式中,同一时刻、同一主题可以被订阅过的多个观察者处理。

最后,总结一下Reactor模式的优点和缺点。作为高性能的IO模式,Reactor模式的优点如下:

响应快,虽然同一反应器线程本身是同步的,但是不会被单个连接的IO操作所阻塞。

编程相对简单,最大限度避免了复杂的多线程同步,也避免了多线程各个进程之间切换的开销。

可扩展,可以方便地通过增加反应器线程的个数来充分利用CPU资源。

Reactor模式的缺点如下:

Reactor模式增加了一定的复杂性,因而有一定的门槛,并且不易于调试。

Reactor模式依赖于操作系统底层的IO多路复用系统调用的支持,如Linux中的epoll系统调用。如果操作系统的底层不支持IO多路复用,Reactor模式不会那么高效。

在同一个Handler业务线程中,如果出现一个长时间的数据读写,就会影响这个反应器中其他通道的IO处理。例如,在大文件传输时,IO操作就会影响其他客户端的响应时间。对于这种操作,还需要进一步对Reactor模式进行改进。


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