Netty
Netty线程模型概述
- 线程模型基本介绍
- 不同的线程模型、对程序的性能有很大影响,为了搞清Netty的线程模式,需要了解各个线程模式
- 目前存在的线程模型
- 传统阻塞IO服务模型
- Reactor模型
- 根据Reactor的数量和处理资源线程的数量不同,有3中典型的实现
- 单Reactor单线程
- 单Reactor多线程
- 主从Reactor多线程
- Netty线程模型(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I/O服务模型
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工作原理图
- 黄色框表示对象,蓝色框表示线程,黑色表示API
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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,业务处理和数据返回
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问题分析
- 当并发数很大,就会创建大量的线程,占用很大的系统资源
- 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
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- Reactor模式基本原理
- Reactor的翻译:1.反应器模式,2.分发者模式,3.通知者模式
- 针对传统阻塞I/O服务模型的两个缺点,解决方案
- 基于I/O复用模型:多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模式
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I/O复用结合线程池,就是Reactor模式基本设计思想
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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)
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服务器端程序处理传入的多个请求,并将它们同步分发到响应的处理线程,所以Reactor模式也叫分发模式
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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),这点就是网络处理器高并发的处理关键
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- Reactor模式中核心组成
- 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。
- Handlers:Handler处理程序执行I/O事件要完成的实际事件(实际逻辑),Reactor通过调用适当的处理程序来响应I/O事件,处理程序执行非阻塞操作。
- 单Reactor单线程
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工作原理图
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说明
- Select是前面I/O复用模型介绍的标准网络编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的完成业务流程
- 结合实例:服务器调用一个线程通过多路复用器复用搞定所有的IO操作(包括连接、读、写等),编码简单,清晰明了,但是如果客户端连接数量较多,将无法支撑,前面的NIO案例就属于这种模型
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单Reactor单线程方案优缺点分析
- 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(这里是同步的体现),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,会导致整个通讯模块不可用,不能接受和处理外部消息,造成节点故障
- 使用场景:适合用于客户端的数量有限,业务处理非常快,比如Redis在业务处理的时间复杂度O(1)的情况
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- 单Reactor多线程
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工作原理示意图
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方案说明
- 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
- 如果事件是建立连接请求事件,则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
- 如果事件不是连接请求,则由Reactor分发调用对应的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worker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接收到结果后,通过send将响应返回给client客户端
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单Reactor多线程模式的优缺点分析
- 优点:可以充分的利用多核cpu的处理能力
- 缺点:多线程会数据功能和访问比较复杂,reactor处理所有的事件的监听和响应,reactor是在单线程运行,在高并发场景容易出现性能瓶颈,整个系统的可靠性,还是在这个单线程的reactor上,如果这个reactor出现了异常,整个api还是会无法使用,不能接收和响应请求,整个节点故障
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- 主从Reactor多线程
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工作原理示意图
- 针对单Reactor多线程模型中,Reactor在单线程中运行,高并发场景下容易单Reactor成为性能瓶颈,可以让Reactor在多线程中运行
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方案说明
- Reactor主线程MainReactor对象通过selector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(此时不可能是连接事件),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MainReactor可以关联多个SubReactor
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主从Reactor多线程方案优缺点说面
- 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
- 优点: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:编程复杂度高
- 结合实例:这种模型在许多项目中广泛应用,包括nginx主从Reactor多线程模型,Memcached主从线程,Netty主从多线程模型的支持
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- Reactor模式小结
- 3种模式用生活案例来理解
- 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
- 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
- 主从Reactor多线程,多个前台接待员,多个服务员
- Reactor模式具有的优点
- 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
- 减少资源开销,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
- 3种模式用生活案例来理解
Netty模型-通俗版
- 示意图1-简版
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模型
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说明
- BossGroup线程维护Selector,只关注Accept事件
- 当接收到Accept事件时,获取对应的SocketChannel,封装成NIOSocketChannel并注册到Worker线程(事件循环),并进行维护
- 当Worker线程监听到selector中的通道发生了自己感兴趣的事件(非accept事件)后,就进行处理(就由handler),注意handler已经加入到通道
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- 示意图2-进阶版
Netty模型-工作架构
- 工作原理示意图
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说明
- Netty抽象出两组线程池BossGroup和WorkerGroup,其中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,这个组合中含有多个时间循环,每一个事件循环是一个NIOEventLoop
- NIOEventLoop表示一个不断循环的处理任务的线程,每个NIOEventLoop都有一个selector,用于监听绑定在其上的socket的网络通讯
- NIOEventLoop可以有多个线程,即可以含有多个NIOEventLoop
- 每个Boss 的NIOEventLoop的步骤有3步
- 轮训accept事件
- 处理accept事件,与client建立连接,生成NIOEventSocketChannel,并将NIOEventSocketChannel注册到某个worker的NIOEventLoop的Selector上
- 处理任务队列的任务,即runAllTasks
- 每个Worker NIOEventLoop循环执行的步骤
- 轮训read,write事件
- 处理I/O事件,即read,write事件,在对应的NIOSocketChannel处理
- 处理任务队列的任务,即runAllTasks
- 每个Worker NIOEventLoop处理业务时,会使用pipline(管道),pipline中包含了channel,即通过pipline可以获取到对应通道,管道中维护了很多的处理器
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