NIO之Reactor模式,Netty序章

Reactor模式

反应堆模式：“反应”器名字中”反应“的由来：

• “反应”即“倒置”，“控制逆转”,具体事件处理程序不调用反应器，而向反应器注册一个事件处理器，表示自己对某些事件感兴趣，有时间来了，具体事件处理程序通过事件处理器对某个指定的事件发生做出反应。

单线程Reactor模式流程：

• ①服务器端的Reactor是一个线程对象，该线程会启动事件循环，并使用Selector(选择器)来实现IO的多路复用。channel注册一个Acceptor事件处理器到Reactor中，Acceptor事件处理器所关注的事件是ACCEPT事件，这样Reactor会监听客户端向服务器端发起的连接请求事件(ACCEPT事件)。
• ②客户端向服务器端发起一个连接请求，Reactor监听到了该ACCEPT事件的发生并将该ACCEPT事件派发给相应的Acceptor处理器来进行处理。Acceptor处理器通过accept()方法得到与这个客户端对应的连接(SocketChannel)，然后将该连接所关注的READ事件以及对应的READ事件处理器注册到Reactor中，这样一来Reactor就会监听该连接的READ事件了。
• ③当Reactor监听到有读或者写事件发生时，将相关的事件派发给对应的处理器进行处理。比如，读处理器会通过SocketChannel的read()方法读取数据，此时read()操作可以直接读取到数据，而不会堵塞与等待可读的数据到来。
• ④每当处理完所有就绪的感兴趣的I/O事件后，Reactor线程会再次执行select()阻塞等待新的事件就绪并将其分派给对应处理器进行处理。

注意，Reactor的单线程模式的单线程主要是针对于I/O操作而言，也就是所有的I/O的accept()、read()、write()以及connect()操作都在一个线程上完成的。

基于单线程反应器模式手写一个NIO通信

服务端处理器:

/**
 * 类说明：nio通信服务端处理器
 */
public class NioServerHandle implements Runnable{
    private Selector selector;
    private ServerSocketChannel serverChannel;
    private volatile boolean started;
    /**
     * 构造方法
     * @param port 指定要监听的端口号
     */
    public NioServerHandle(int port) {

        try {
            selector = Selector.open();
            serverChannel = ServerSocketChannel.open();
            serverChannel.configureBlocking(false);
            serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
            serverChannel.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);
            started = true;
            System.out.println("服务器已启动，端口号："+port);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }
    public void stop(){
        started = false;
    }
    @Override
    public void run() {
        //循环遍历selector
        while(started){
            try{
                //阻塞,只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续.
                selector.select();
                Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();
                SelectionKey key = null;
                while(it.hasNext()){
                    key = it.next();
                    it.remove();
                    try{
                        handleInput(key);
                    }catch(Exception e){
                        if(key != null){
                            key.cancel();
                            if(key.channel() != null){
                                key.channel().close();
                            }
                        }
                    }
                }
            }catch(Throwable t){
                t.printStackTrace();
            }
        }
        //selector关闭后会自动释放里面管理的资源
        if(selector != null)
            try{
                selector.close();
            }catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
    }
    private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException{
        if(key.isValid()){
            //处理新接入的请求消息
            if(key.isAcceptable()){
                //获得关心当前事件的channel
                ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel)key.channel();
                //通过ServerSocketChannel的accept创建SocketChannel实例
                //完成该操作意味着完成TCP三次握手，TCP物理链路正式建立
                SocketChannel sc = ssc.accept();
                System.out.println("======socket channel 建立连接" );
                //设置为非阻塞的
                sc.configureBlocking(false);
                //连接已经完成了，可以开始关心读事件了
                sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
            }
            //读消息
            if(key.isReadable()){
                System.out.println("======socket channel 数据准备完成，" +
                        "可以去读==读取=======");
                SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                //创建ByteBuffer，并开辟一个1M的缓冲区
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                //读取请求码流，返回读取到的字节数
                int readBytes = sc.read(buffer);
                //读取到字节，对字节进行编解码
                if(readBytes>0){
                    //将缓冲区当前的limit设置为position=0，
                    // 用于后续对缓冲区的读取操作
                    buffer.flip();
                    //根据缓冲区可读字节数创建字节数组
                    byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
                    //将缓冲区可读字节数组复制到新建的数组中
                    buffer.get(bytes);
                    String message = new String(bytes,"UTF-8");
                    System.out.println("服务器收到消息：" + message);
                    //处理数据
                    String result = response(message) ;
                    //发送应答消息
                    doWrite(sc,result);
                }
                //链路已经关闭，释放资源
                else if(readBytes<0){
                    key.cancel();
                    sc.close();
                }
            }

        }
    }
    //发送应答消息
    private void doWrite(SocketChannel channel,String response)
            throws IOException {
        //将消息编码为字节数组
        byte[] bytes = response.getBytes();
        //根据数组容量创建ByteBuffer
        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
        //将字节数组复制到缓冲区
        writeBuffer.put(bytes);
        //flip操作
        writeBuffer.flip();
        //发送缓冲区的字节数组
        channel.write(writeBuffer);
    }
}
public class NioServer {

    private static NioServerHandle nioServerHandle;

    public static void start(){
        if(nioServerHandle !=null)
            nioServerHandle.stop();
        nioServerHandle = new NioServerHandle(DEFAULT_PORT);
        new Thread(nioServerHandle,"Server").start();
    }
    public static void main(String[] args){
        start();
    }

}

客户端处理器：

public class NioClientHandle implements Runnable{
    private String host;
    private int port;
    private Selector selector;
    private SocketChannel socketChannel;

    private volatile boolean started;

    public NioClientHandle(String ip, int port) {
        this.host = ip;
        this.port = port;
        try {
            //创建选择器
            selector = Selector.open();
            //打开通道
            socketChannel = SocketChannel.open();
            //如果为 true，则此通道将被置于阻塞模式；
            // 如果为 false，则此通道将被置于非阻塞模式
            socketChannel.configureBlocking(false);
            started = true;
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }
    public void stop(){
        started = false;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            doConnect();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
        //循环遍历selector
        while(started){
            try {
                //阻塞,只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续
                selector.select();
                //获取当前有哪些事件可以使用
                Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
                //转换为迭代器
                Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();
                SelectionKey key = null;
                while(it.hasNext()){
                    key = it.next();
                    it.remove();
                    try {
                        handleInput(key);
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                        if(key!=null){
                            key.cancel();
                            if(key.channel()!=null){
                                key.channel().close();
                            }
                        }
                    }
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        //selector关闭后会自动释放里面管理的资源
        if(selector!=null){
            try {
                selector.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }

    //具体的事件处理方法
    private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException{
        if(key.isValid()){
            //获得关心当前事件的channel
            SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
            if(key.isConnectable()){//连接事件
                if(sc.finishConnect()){}
                else{System.exit(1);}
            }
            //有数据可读事件
            if(key.isReadable()){
                //创建ByteBuffer，并开辟一个1M的缓冲区
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                //读取请求码流，返回读取到的字节数
                int readBytes = sc.read(buffer);
                //读取到字节，对字节进行编解码
                if(readBytes>0){
                    //将缓冲区当前的limit设置为position,position=0，
                    // 用于后续对缓冲区的读取操作
                    buffer.flip();
                    //根据缓冲区可读字节数创建字节数组
                    byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
                    //将缓冲区可读字节数组复制到新建的数组中
                    buffer.get(bytes);
                    String result = new String(bytes,"UTF-8");
                    System.out.println("accept message:"+result);
                }else if(readBytes<0){
                    key.cancel();
                    sc.close();
                }
            }
        }
    }

    //发送消息
    private void doWrite(SocketChannel channel,String request)
            throws IOException {
        //将消息编码为字节数组
        byte[] bytes = request.getBytes();
        //根据数组容量创建ByteBuffer
        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
        //将字节数组复制到缓冲区
        writeBuffer.put(bytes);
        //flip操作
        writeBuffer.flip();
        //发送缓冲区的字节数组
        channel.write(writeBuffer);
    }

    private void doConnect() throws IOException {
        /*如果此通道处于非阻塞模式，
        则调用此方法将启动非阻塞连接操作。
        如果立即建立连接，就像本地连接可能发生的那样，则此方法返回true。
        否则，此方法返回false，
        稍后必须通过调用finishConnect方法完成连接操作。*/
        if(socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host,port))){}
        else{
            //连接还未完成，所以注册连接就绪事件，向selector表示关注这个事件
            socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_CONNECT);
        }
    }

    //写数据对外暴露的API
    public void sendMsg(String msg) throws Exception{
        socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
        doWrite(socketChannel,msg);
    }
}
public class NioClient {

    private static NioClientHandle nioClientHandle;

    public static void start(){
        if(nioClientHandle !=null)
            nioClientHandle.stop();
        nioClientHandle = new NioClientHandle(DEFAULT_SERVER_IP,DEFAULT_PORT);
        new Thread(nioClientHandle,"Client").start();
    }
    //向服务器发送消息
    public static boolean sendMsg(String msg) throws Exception{
        nioClientHandle.sendMsg(msg);
        return true;
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        start();
        System.out.println("请输入请求信息：");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while(NioClient.sendMsg(scanner.next()));

    }

}

服务端过程：

1. 启动服务端,完成一些初始化工作,ServerSocketChannel绑定端口并且注册接受连接事件.
2. 循环里selector.select()阻塞,只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续,循环里面处理发生的注册事件
3. 注册事件发生时交给处理器,若为接受连接则accept取出socketChannel并完成连接,然后就是关注read读取事件即注册,有数据读取了则处理器读取请求数据并返回.

客户端过程：

1. 启动客户端,完成一些初始化工作.
2. 根据服务端ip及端口发起连接.
3. 往服务端发送数据,并注册read读取事件
4. 循环里selector.select()阻塞,只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续,循环里面处理发生的注册事件.
5. 注册事件发生时交给处理器,若为连接事件并且连接成功则跳过即不予处理等待读取事件发送.

初始化工作如打开selector,channel,设置通道模式是否阻塞.

单线程Reactor，工作者线程池

但在单线程Reactor模式中，不仅I/O操作在该Reactor线程上，连非I/O的业务操作也在该线程上进行处理了，这可能会大大延迟I/O请求的响应。所以我们应该将非I/O的业务逻辑操作从Reactor线程上卸载，以此来加速Reactor线程对I/O请求的响应.

添加了一个工作者线程池，并将非I/O操作从Reactor线程中移出转交给工作者线程池来执行。这样能够提高Reactor线程的I/O响应，不至于因为一些耗时的业务逻辑而延迟对后面I/O请求的处理。

改进的版本中，所以的I/O操作依旧由一个Reactor来完成，包括I/O的accept()、read()、write()以及connect()操作。

对于一些小容量应用场景，可以使用单线程模型。但是对于高负载、大并发或大数据量的应用场景却不合适，主要原因如下：

• ① 一个NIO线程同时处理成百上千的链路，性能上无法支撑，即便NIO线程的CPU负荷达到100%，也无法满足海量消息的读取和发送；
• ②当NIO线程负载过重之后，处理速度将变慢，这会导致大量客户端连接超时，超时之后往往会进行重发，这更加重了NIO线程的负载，最终会导致大量消息积压和处理超时，成为系统的性能瓶颈；

多Reactor线程模式

Reactor线程池中的每一Reactor线程都会有自己的Selector、线程和分发的事件循环逻辑。

mainReactor可以只有一个，但subReactor一般会有多个。mainReactor线程主要负责接收客户端的连接请求，然后将接收到的SocketChannel传递给subReactor，由subReactor来完成和客户端的通信。

流程：

• ①注册一个Acceptor事件处理器到mainReactor中，Acceptor事件处理器所关注的事件是ACCEPT事件，这样mainReactor会监听客户端向服务器端发起的连接请求事件(ACCEPT事件)。启动mainReactor的事件循环。
• ②客户端向服务器端发起一个连接请求，mainReactor监听到了该ACCEPT事件并将该ACCEPT事件派发给Acceptor处理器来进行处理。Acceptor处理器通过accept()方法得到与这个客户端对应的连接(SocketChannel)，然后将这个SocketChannel传递给subReactor线程池。
• ③subReactor线程池分配一个subReactor线程给这个SocketChannel，即，将SocketChannel关注的READ事件以及对应的READ事件处理器注册到subReactor线程中。当然你也注册WRITE事件以及WRITE事件处理器到subReactor线程中以完成I/O写操作。Reactor线程池中的每一Reactor线程都会有自己的Selector、线程和分发的循环逻辑。
• ④当有I/O事件就绪时，相关的subReactor就将事件派发给响应的处理器处理。注意，这里subReactor线程只负责完成I/O的read()操作，在读取到数据后将业务逻辑的处理放入到线程池中完成，若完成业务逻辑后需要返回数据给客户端，则相关的I/O的write操作还是会被提交回subReactor线程来完成。

注意，所以的I/O操作(包括，I/O的accept()、read()、write()以及connect()操作)依旧还是在Reactor线程(mainReactor线程 或 subReactor线程)中完成的。Thread Pool(线程池)仅用来处理非I/O操作的逻辑。

多Reactor线程模式将“接受客户端的连接请求”和“与该客户端的通信”分在了两个Reactor线程来完成。mainReactor完成接收客户端连接请求的操作，它不负责与客户端的通信，而是将建立好的连接转交给subReactor线程来完成与客户端的通信，这样一来就不会因为read()数据量太大而导致后面的客户端连接请求得不到即时处理的情况。并且多Reactor线程模式在海量的客户端并发请求的情况下，还可以通过实现subReactor线程池来将海量的连接分发给多个subReactor线程，在多核的操作系统中这能大大提升应用的负载和吞吐量。

Netty服务端使用了“多Reactor线程模式”