Netty剖析之Netty线程模型

线程模型基本介绍

不同的线程模式，对程序的性能有很大影响，为了搞清Netty线程模式，下面我们来系统的讲解下各个线程模式。

目前存在的线程模型有：

传统阻塞IO服务模型
Reactor 模式，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：
2.1 单Reactor单线程
2.2 单Reactor多线程
2.3 主从Reactor多线程
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

示意图：
在这里插入图片描述

模型特点：

采用阻塞IO模式获取输入的数据
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：

当并发数很大，就会创建大量的线程，占用很大系统资源
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2个缺点，产生了如下解决方案：

基于IO复用模型：多个连接共用一个阻塞对象，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，操作系统通知应用程序，线程从阻塞状态返回，开始进行业务处理
基于线程池复用线程资源：不必再为每个连接创建线程，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。

Reactor通常有如下几种称呼：

反应器模式
分发者模式(Dispatcher)
通知者模式(notifier)

IO复用结合线程池，就是Reactor模式基本设计思想，如下图所示：
在这里插入图片描述
Reactor模型说明：

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)
服务器端程序处理传入的多个请求,并将它们同步分派到相应的处理线程，因此Reactor模式也叫 Dispatcher模式
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核心组成部分：

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。它就像公司的电话接线员，它接听来自客户的电话并将线路转移到适当的联系人；
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；

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

下面我将分别详细来介绍

单Reactor单线程

示意图：
在这里插入图片描述

工作原理：

Select 是前面 I/O 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
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
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
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
Handler会完成 Read→业务处理→Send 的完整业务流程

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

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
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

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

示意图：
在这里插入图片描述
工作原理：

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
如果建立连接请求, 则右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
如果不是连接请求，则由reactor分发调用连接对应的handler来处理
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
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handler
handler收到响应后，通过send将结果返回给client

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

示意图：
在这里插入图片描述
工作原理：

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
当 Acceptor处理连接事件后，MainReactor 将连接分配给SubReactor
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
当有新事件发生时， subreactor 就会调用对应的handler处理
handler 通过read 读取数据，分发给后面的worker 线程处理
worker 线程池分配独立的worker 线程进行业务处理，并返回结果
handler 收到响应的结果后，再通过send 将结果返回给client
Reactor 主线程可以对应多个Reactor 子线程, 即MainRecator 可以关联多个SubReactor

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
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

缺点：

编程复杂度较高

Reactor模式优点

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
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
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
复用性好，Reactor 模型本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性

Netty模型

示意图：
在这里插入图片描述
工作原理：

Netty抽象出两组线程池 BossGroup 专门负责接收客户端的连接, WorkerGroup 专门负责网络的读写
BossGroup 和 WorkerGroup 类型都是 NioEventLoopGroup
NioEventLoopGroup 相当于一个事件循环组, 这个组中含有多个事件循环，每一个事件循环是NioEventLoop
NioEventLoop 表示一个不断循环的执行处理任务的线程，每个NioEventLoop 都有一个selector , 用于监听绑定在其上的socket的网络通讯
NioEventLoopGroup 可以有多个线程, 即可以含有多个NioEventLoop
每个Boss NioEventLoop 循环执行的步骤有3步：
6.1 轮询accept 事件
6.2 处理accept 事件 , 与client建立连接 , 生成NioScocketChannel , 并将其注册到某个worker NIOEventLoop 上的 selector
6.3 处理任务队列的任务，即 runAllTasks
每个Worker NIOEventLoop 循环执行的步骤：
7.1 轮询read, write 事件
7.2 处理i/o事件，即read , write 事件，在对应NioScocketChannel处理
7.3 处理任务队列的任务，即 runAllTasks
每个Worker NIOEventLoop 处理业务时，会使用pipeline(管道), pipeline 中包含了 channel , 即通过pipeline 可以获取到对应通道, 管道中维护了很多的处理器

Netty入门案例

需求：使用Netty实现客户端可以向服务端发送消息，服务端并可以回复消息给客户端

Netty服务端：

public class NettyServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        /**
         * 分别创建bossGroup和workerGroup
         *
         * NioEventLoopGroup可以指定子线程数量，默认是cpu的核数*2
         * new NioEventLoopGroup(1)则只会创建一个子线程
         */
        NioEventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(); // bossGroup用来处理与客户端的连接请求
        NioEventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(); // workerGroup用来处理客户端业务

        try {
            // 创建服务端启动对象，服务端是ServerBootstrap，客户端是Bootstrap
            ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
            // 配置启动对象
            serverBootstrap.group(bossGroup, workerGroup) // 设置事件循环组
                    .channel(NioServerSocketChannel.class) // 设置通道实现类
                    .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128) // 设置线程队列的连接个数
                    .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true) // 设置保持活动连接状态
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { // 创建一个通道测试对象
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
                            // 给pipeline设置处理器
                            socketChannel.pipeline().addLast(new NettyServerHandler());
                        }
                    }); // 给线程组设置对应的管道处理器

            System.out.println("netty server is ready....");

            // 绑定端口
            ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind(8899).sync();
            // 关闭通道监听
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

自定义服务端通道处理handler：

public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    /**
     * 数据读取处理方法
     *
     * @param ctx 上下文对象
     * @param msg 客户端发送的数据
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {

        System.out.println("server channelRead thread ：" + Thread.currentThread().getName());

        Channel channel = ctx.channel();


        // 此处的ByteBuf是Nttey提供的，不是NIO中的ByteBuffer
        ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg;
        System.out.println("收到来自[" + channel.remoteAddress() + "]的消息：" + byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
    }

    /**
     * 数据读取完成处理方法
     * channelRead方法执行完后才会执行此方法
     *
     * @param ctx
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        // 数据读取完成之后，我们向客户端发送一个消息
        String msg = "hello client，msg is read！";
        // 消息编码
        ByteBuf byteBuf = Unpooled.copiedBuffer(msg, CharsetUtil.UTF_8);
        // 将数据写入到缓存，并刷新 ，同时执行了两个操作 write + flush
        ctx.writeAndFlush(byteBuf);
    }

    /**
     * 异常处理方法
     *
     * @param ctx
     * @param cause
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        ctx.close();
    }
}

Netty客户端：

public class NettyClient {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 客户端只需要创建一个事件循环组
        NioEventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();

        try {
            // 创建客户端启动对象，客户端是Bootstrap，服务端是ServerBootstrap
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            // 配置启动对象
            bootstrap.group(group) // 设置事件循环组
                    .channel(NioSocketChannel.class) // 设置通道实现类
                    .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
                            // 给pipeline设置处理器
                            socketChannel.pipeline().addLast(new NeetyClientHandler());
                        }
                    });

            System.out.println("netty client is ready....");

            // 连接服务端
            ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("127.0.0.1", 8899).sync();
            // 关闭通道监听
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            group.shutdownGracefully();
        }
    }
}

自定义客户端通道处理handler：

public class NeetyClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    /**
     * 通道就绪处理方法
     *
     * @param ctx
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        // 通道就绪后，我们向服务端发送一个消息
        String msg = "hello server！";
        // 消息编码
        ByteBuf byteBuf = Unpooled.copiedBuffer(msg, CharsetUtil.UTF_8);
        // 将数据写入到缓存，并刷新 ，同时执行了两个操作 write + flush
        ctx.writeAndFlush(byteBuf);
    }

    /**
     * 数据读取处理方法
     *
     * @param ctx 上下文对象
     * @param msg 客户端发送的数据
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {

        Channel channel = ctx.channel();

        // 此处的ByteBuf是Nttey提供的，不是NIO中的ByteBuffer
        ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg;
        System.out.println("收到来自[" + channel.remoteAddress() + "]的消息：" + byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
    }

    /**
     * 异常处理方法
     *
     * @param ctx
     * @param cause
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        ctx.close();
    }
}

测试：

netty server is ready....
收到来自[/127.0.0.1:7007]的消息：hello server！

netty client is ready....
收到来自[/127.0.0.1:8899]的消息：hello client，msg is read！

客户端与服务端通信成功！

皓晨_

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