[Netty学习笔记]六、Netty概述与线程模型简介

Netty概述

原生NIO存在的问题

1. NIO的类库和API比较繁琐，使用麻烦。需要熟练掌握Selector/ServerSocketChannel等
2. 需要具备其他的额外技能，如多线程编程和网路编程等，才能编写出高质量的NIO程序
3. 开发工作量和难度非常大，例如客户端面临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常流 的处理等等。
4. JDK NIO 的 Bug:例如臭名昭著的 Epoll Bug，它会导致 Selector 空轮询，最终导致 CPU 100%。直到 JDK 1.7 版本该问题仍旧存在，没有被根本解决

Netty的优点

Netty对JDK自带的NIO的API进行了封装，解决了上述问题

1. 设计优雅：适用于各种传输类型的统一，基于灵活且可扩展的事件模型，可以清晰地分离关注点；高度可定制的线程模型-单线程，一个或多个线程池
2. 使用方便
3. 高性能、吞吐量高 延迟更低 减少资源消耗；最小化不必要的内存复制
4. 安全：完整的SSL/TLS和StartTLS支持
5. 社区活跃

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，目前存在的线程模型有：传统阻塞IO模型和Reactor模型

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：

1. 单Reactor单线程
2. 单Reactor多线程
3. 主从Reactor多线程

Netty线程模式在主从Reactor多线程模型基础上做了一定的改进。

传统阻塞IO服务模型

模型优缺点：

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

缺点： 当并发数很大时，就会创建大量的线程，占用很多的系统资源。并且在连接创建后，如果当前线程暂时没有数据可读，该线程会阻塞在read操作，造成线程资源的浪费。

Reactor模式

针对传统阻塞IO模型的缺点的解决方案：

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。（与NIO的机制相似）
2. 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分配给线程池中的空闲线程进行处理。这样的话，一个线程可以被复用到，可以处理多个连接的业务。

事实上 IO复用结合线程池 就是Reactor模式的设计思想。

图解说明:

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(基于时间驱动)
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，收到时间后分给某个线程。

Reactor模式中核心组成

1. Reactor:Reactor在一个单独的线程中运行，负责监听和分发时间，分发给适当的处理程序来对IO事件作出反应。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。
2. Handlers(处理线程):处理程序执行IO事件要完成的实际时间，类似于客户想要与之交谈的公司的实际人员。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

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

单Reactor单线程

即NIO使用的模式

说明:

1. Select是NIO中的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监听客户端请求事件，收到时间后通过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

优缺点：

• 优点：模型简单，没有多线程，进程通信、竞争等问题，全部都在一个线程中完成
• 缺点：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。
• 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。

使用场景：客户端的数量有限，业务处理非常快速

单Reactor多线程

说明:

1. Reactor对象通过selector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，则由Acceptor通过accept处理连接请求，然后创建一个Handler对象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线程池的某一个线程处理业务
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handler
6. handler收到响应后，通过send将结果返回给client

优缺点分析：

1. 优点：可以充分利用多核cpu的处理能力
2. 缺点：多线程数据共享和访问比较复杂；reactor处理所有的时间的监听和响应，但是reactor是在单线程下运行的，在高并发场景容易出现性能瓶颈

主从Reactor多线程

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

注意：上面Reactor子线程的SubReactor中应该没有Select了(图片是借鉴自网络)

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handler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MainReactor可以关联多个SubReactor

Reactor模式小结

1. 单 Reactor 单线程:前台接待员和服务员是同一个人，全程为顾客服务
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 多个服务员

Reactor 模式具有如下的优点:

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，可以方便的通知增加Reactor实例个数来充分利用CPU资源
4. 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