03 分佈式 01 Netty：Netty之Reactor模式

Netty、NIO

理清NIO與Netty的關係之前，我們必須先要來看看Reactor模式。Netty是一個典型的多線程的Reactor模式的使用，理解了這部分，在宏觀上理解Netty的NIO及多線程部分就不會有什麼困難了。

Reactor模式

Reactor的由來
Reactor模式究竟是個什麼東西呢？這要從事件驅動的開發方式說起。我們知道，對於應用服務器，一個主要規律就是，CPU的處理速度是要遠遠快於IO速度的，如果CPU爲了IO操作（例如從Socket讀取一段數據）而阻塞顯然是不划算的。好一點的方法是分爲多進程或者線程去進行處理，但是這樣會帶來一些進程切換的開銷，試想一個進程一個數據讀了500ms，期間進程切換到它3次，但是CPU卻什麼都不能幹，就這麼切換走了，是不是也不划算？

這時先驅們找到了事件驅動，或者叫回調的方式，來完成這件事情。這種方式就是，應用業務向一箇中間人註冊一個回調（event handler），當IO就緒後，就這個中間人產生一個事件，並通知此handler進行處理。這種回調的方式，也體現了“好萊塢原則”（Hollywood principle）-“Don't call us, we'll call you”，在我們熟悉的IoC中也有用到。看來軟件開發真是互通的！

好了，我們現在來看Reactor模式。在前面事件驅動的例子裏有個問題：我們如何知道IO就緒這個事件，誰來充當這個中間人？Reactor模式的答案是：由一個不斷等待和循環的單獨進程（線程）來做這件事，它接受所有handler的註冊，並負責先操作系統查詢IO是否就緒，在就緒後就調用指定handler進行處理，這個角色的名字就叫做Reactor。

Reactor與NIO
Java中的NIO可以很好的和Reactor模式結合。關於NIO中的Reactor模式，我想沒有什麼資料能比Doug Lea大神（不知道Doug Lea？看看JDK集合包和併發包的作者吧）在《Scalable IO in Java》解釋的更簡潔和全面了。NIO中Reactor的核心是Selector，我寫了一個簡單的Reactor示例，這裏我貼一個核心的Reactor的循環（這種循環結構又叫做EventLoop），剩餘代碼在learning-src目錄下。

 

public void run() {
        try {
            while (!Thread.interrupted()) {
                selector.select();
                Set selected = selector.selectedKeys();
                Iterator it = selected.iterator();
                while (it.hasNext())
                    dispatch((SelectionKey) (it.next()));
                selected.clear();
            }
        } catch (IOException ex) { /* ... */
        }
    }

與Reactor相關的其他概念
前面提到了Proactor模式，這又是什麼呢？簡單來說，Reactor模式裏，操作系統只負責通知IO就緒，具體的IO操作（例如讀寫）仍然是要在業務進程裏阻塞的去做的，而Proactor模式則更進一步，由操作系統將IO操作執行好（例如讀取，會將數據直接讀到內存buffer中），而handler只負責處理自己的邏輯，真正做到了IO與程序處理異步執行。所以我們一般又說Reactor是同步IO，Proactor是異步IO。

關於阻塞和非阻塞、異步和非異步，以及UNIX底層的機制，大家可以看看這篇文章IO - 同步，異步，阻塞，非阻塞 （亡羊補牢篇），以及陶輝（《深入理解nginx》的作者）《高性能網絡編程》的系列。

由Reactor出發來理解Netty

多線程下的Reactor
講了一堆Reactor，我們回到Netty。在《Scalable IO in Java》中講到了一種多線程下的Reactor模式。在這個模式裏，mainReactor只有一個，負責響應client的連接請求，並建立連接，它使用一個NIO Selector；subReactor可以有一個或者多個，每個subReactor都會在一個獨立線程中執行，並且維護一個獨立的NIO Selector。

這樣的好處很明顯，因爲subReactor也會執行一些比較耗時的IO操作，例如消息的讀寫，使用多個線程去執行，則更加有利於發揮CPU的運算能力，減少IO等待時間。

Netty中的Reactor與NIO
瞭解了多線程下的Reactor模式，我們來看看Netty吧（以下部分主要針對NIO，OIO部分更加簡單一點，不重複介紹了）。Netty裏對應mainReactor的角色叫做“Boss”，而對應subReactor的角色叫做"Worker"。Boss負責分配請求，Worker負責執行，好像也很貼切！以TCP的Server端爲例，這兩個對應的實現類分別爲NioServerBoss和NioWorker（Server和Client的Worker沒有區別，因爲建立連接之後，雙方就是對等的進行傳輸了）。

Netty 3.7中Reactor的EventLoop在AbstractNioSelector.run()中，它實現了Runnable接口。這個類是Netty NIO部分的核心。它的邏輯非常複雜，其中還包括一些對JDK Bug的處理（例如rebuildSelector），剛開始讀的時候不需要深入那麼細節。我精簡了大部分代碼，保留主幹如下：

 

abstract class AbstractNioSelector implements NioSelector {
    //NIO Selector
    protected volatile Selector selector;

    //內部任務隊列
    private final Queue<Runnable> taskQueue = new ConcurrentLinkedQueue<Runnable>();

    //selector循環
    public void run() {
        for (;;) {
            try {
                //處理內部任務隊列
                processTaskQueue();
                //處理selector事件對應邏輯
                process(selector);
            } catch (Throwable t) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // Ignore.
                }
            }
        }
    }

    private void processTaskQueue() {
        for (;;) {
            final Runnable task = taskQueue.poll();
            if (task == null) {
                break;
            }
            task.run();
        }
    }

    protected abstract void process(Selector selector) throws IOException;

}

其中process是主要的處理事件的邏輯，例如在AbstractNioWorker中，處理邏輯如下：

 

protected void process(Selector selector) throws IOException {
        Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
        if (selectedKeys.isEmpty()) {
            return;
        }
        for (Iterator<SelectionKey> i = selectedKeys.iterator(); i.hasNext();) {
            SelectionKey k = i.next();
            i.remove();
            try {
                int readyOps = k.readyOps();
                if ((readyOps & SelectionKey.OP_READ) != 0 || readyOps == 0) {
                    if (!read(k)) {
                        // Connection already closed - no need to handle write.
                        continue;
                    }
                }
                if ((readyOps & SelectionKey.OP_WRITE) != 0) {
                    writeFromSelectorLoop(k);
                }
            } catch (CancelledKeyException e) {
                close(k);
            }

            if (cleanUpCancelledKeys()) {
                break; // break the loop to avoid ConcurrentModificationException
            }
        }
    }

Netty中的多線程
下面我們來看Netty的多線程部分。一旦對應的Boss或者Worker啓動，就會分配給它們一個線程去一直執行。對應的概念爲BossPool和WorkerPool。對於每個NioServerSocketChannel，Boss的Reactor有一個線程，而Worker的線程數由Worker線程池大小決定，但是默認最大不會超過CPU核數*2，當然，這個參數可以通過NioServerSocketChannelFactory構造函數的參數來設置。

 

public NioServerSocketChannelFactory(
            Executor bossExecutor, Executor workerExecutor,
            int workerCount) {
        this(bossExecutor, 1, workerExecutor, workerCount);
    }

最後我們比較關心一個問題，我們之前ChannlePipeline中的ChannleHandler是在哪個線程執行的呢？答案是在Worker線程裏執行的，並且會阻塞Worker的EventLoop。例如，在NioWorker中，讀取消息完畢之後，會觸發MessageReceived事件，這會使得Pipeline中的handler都得到執行。

 

protected boolean read(SelectionKey k) {
        ....

        if (readBytes > 0) {
            // Fire the event.
            fireMessageReceived(channel, buffer);
        }

        return true;
    }

可以看到，對於處理事件較長的業務，並不太適合直接放到ChannelHandler中執行。那麼怎麼處理呢？我們在Handler部分會進行介紹。

作者：老鼠AI大米_Java全棧
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來源：簡書
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