学习这件事,不在乎有没有人督促你,最重要的是在于你自己有没有觉悟和恒心。
温习中,会以笔记的形式记录下自我学习的过程。预计1月底之前更新完毕,请关注。
文章部分图片来源于视频笔记!!非我自画!!
netty的自我学习(一)—BIO、NIO、AIO的简单介绍
netty的自我学习(四)—NIO的Selector(选择器)
netty的自我学习(六)—Reactor模型以及Netty模型介绍
原生NIO存在的问题
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NIO 的类库和 API 繁杂,使用麻烦:需要熟练掌握 Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer 等。 需要具备其他的额外技能:要熟悉 Java 多线程编程,因为 NIO 编程涉及到 Reactor 模式,你必须对多线程和网络编程非常熟悉,才能编写出高质量的 NIO 程序。
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开发工作量和难度都非常大: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。
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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。
线程模型基本介绍
目前存在的线程模型有:- 传统阻塞 I/O 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
- 单 Reactor 单线程;
- 单 Reactor 多线程;
- 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 I/O 服务模型
工作原理图
黄色的框表示对象;蓝色的框表示线程;白色的框表示方法(API)
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
解决方案
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基于 I/O 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Reactor 对应的叫法: 1. 反应器模式 2. 分发者模式(Dispatcher) 3. 通知者模式(notifier)
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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
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 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。 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 I/O 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 I/O 事件,处理程序执行非阻塞操作。
单 Reactor 单线程
- 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
优缺点:
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 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
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
方案优缺点分析:
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
- 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
方案优缺点说明:
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:编程复杂度较高
这种模型在许多项目中广泛使用,包括 Nginx 主从 Reactor 多进程模型,Memcached 主从多线程,Netty 主从多线程模型的支持
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
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,多个服务生
Reactor 模式具有如下的优点:
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
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
Netty模型简单版
- BossGroup 线程维护Selector , 只关注Accecpt
- 当接收到Accept事件,获取到对应的SocketChannel, 封装成 NIOScoketChannel并注册到Worker 线程(事件循环), 并进行维护
- 当Worker线程监听到selector 中通道发生自己感兴趣的事件后,就进行处理(就由handler), 注意handler 已经加入到通道
Netty模型进阶版
Netty 主要基于主从 Reactors 多线程模型(如图)做了一定的改进,其中主从 Reactor 多线程模型有多个 Reactor
- 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 轮询accept 事件 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 处理任务队列的任务 , 即 runAllTasks
- 每个 Worker NIOEventLoop 循环执行的步骤 轮询read, write 事件 处理i/o事件, 即read , write 事件,在对应NioScocketChannel 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
互相讨论、共同进步
文章笔记如有失误,请指出。
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