Reactor

你的名字 2023-06-30 08:36 32阅读 0赞

# [Reactor模式][Reactor] #

**疯狂创客圈，一个Java 高并发研习社群** 【[博客园 总入口][Link 1] 】

疯狂创客圈，倾力推出：**面试必备 + 面试必备 + 面试必备** 的基础原理+实战 书籍 《[Netty Zookeeper Redis 高并发实战][Netty Zookeeper Redis]》

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## **写在前面 ** ##

** 大家好，我是 高并发的实战社群【疯狂创客圈】尼恩。Reactor模式非常重要，无论开发、还是面试。**

**本文的内容，在《[Netty Zookeeper Redis 高并发实战][Netty Zookeeper Redis]》一书时，进行内容的完善和更新，并且进行的源码的升级。 博客和书不一样，书更加层层升入、层次分明，请大家以书的内容为准。 具体请参考书的第四章 —— 鼎鼎大名的Reactor反应器模式 。**

**![format_png][]**

**基础篇：netty源码  死磕3-**

**传说中神一样的Reactor反应器模式**

### 本文目录 ###

1. 为什么是Reactor模式  
2. Reactor模式简介  
3. 多线程IO的致命缺陷  
4. 单线程Reactor模型  
4.1. 什么是单线程Reactor呢？  
4.2. 单线程Reactor的参考代码  
4.3. 单线程模式的缺点:  
5. 多线程的Reactor  
5.1. 基于线程池的改进  
5.2. 改进后的完整示意图  
5.3. 多线程Reactor的参考代码  
6. Reactor持续改进  
7. Reactor编程的优点和缺点  
7.1. 优点  
7.2. 缺点

## 1. **为什么是Reactor模式** ##

写多了代码的兄弟们都知道，JAVA代码由于到处面向接口及高度抽象，用到继承多态和设计模式，程序的组织不是按照正常的理解顺序来的，对代码跟踪很是个问题。所以，在阅读别人的源码时，如果不了解代码的组织方式，往往是晕头转向，不知在何处。尤其是阅读经典代码的时候，更是如此。

反过来，如果先了解代码的设计模式，再来去代码，就会阅读的很轻松，不会那么难懂。

像netty这样的精品中的极品，肯定也是需要先从设计模式入手的。netty的整体架构，基于了一个著名的模式——Reactor模式。Reactor模式，是高性能网络编程的必知必会模式。

首先熟悉Reactor模式，一定是磨刀不误砍柴工。

## 2. **Reactor模式****简介** ##

Netty是典型的Reactor模型结构，关于Reactor的详尽阐释，本文站在巨人的肩膀上，借助 Doug Lea（就是那位让人无限景仰的大爷）的“Scalable IO in Java”中讲述的Reactor模式。

“Scalable IO in Java”的地址是：[http://gee.cs.oswego.edu/dl/cpjslides/nio.pdf][http_gee.cs.oswego.edu_dl_cpjslides_nio.pdf]

Reactor模式也叫反应器模式，大多数IO相关组件如Netty、Redis在使用的IO模式，为什么需要这种模式，它是如何设计来解决高性能并发的呢？

## 3. **多线程IO的致命缺陷** ##

最最原始的网络编程思路就是服务器用一个while循环，不断监听端口是否有新的套接字连接，如果有，那么就调用一个处理函数处理，类似：

![复制代码][aHR0cHM6Ly9jb21tb24uY25ibG9ncy5jb20vaW1hZ2VzL2NvcHljb2RlLmdpZg]

while(true){
    
    socket = accept();
    
    handle(socket)
    
    }

![复制代码][aHR0cHM6Ly9jb21tb24uY25ibG9ncy5jb20vaW1hZ2VzL2NvcHljb2RlLmdpZg]

这种方法的最大问题是无法并发，效率太低，如果当前的请求没有处理完，那么后面的请求只能被阻塞，服务器的吞吐量太低。

之后，想到了使用多线程，也就是很经典的connection per thread，每一个连接用一个线程处理，类似：

![复制代码][aHR0cHM6Ly9jb21tb24uY25ibG9ncy5jb20vaW1hZ2VzL2NvcHljb2RlLmdpZg]

package com.crazymakercircle.iodemo.base;
    
    import com.crazymakercircle.config.SystemConfig;
    
    import java.io.IOException;
    import java.net.ServerSocket;
    import java.net.Socket;
    
    class BasicModel implements Runnable {
        public void run() {
            try {
                ServerSocket ss =
                        new ServerSocket(SystemConfig.SOCKET_SERVER_PORT);
                while (!Thread.interrupted())
                    new Thread(new Handler(ss.accept())).start();
                //创建新线程来handle
                // or, single-threaded, or a thread pool
            } catch (IOException ex) { /* ... */ }
        }
    
        static class Handler implements Runnable {
            final Socket socket;
            Handler(Socket s) { socket = s; }
            public void run() {
                try {
                    byte[] input = new byte[SystemConfig.INPUT_SIZE];
                    socket.getInputStream().read(input);
                    byte[] output = process(input);
                    socket.getOutputStream().write(output);
                } catch (IOException ex) { /* ... */ }
            }
            private byte[] process(byte[] input) {
                byte[] output=null;
                /* ... */
                return output;
            }
        }
    }

![复制代码][aHR0cHM6Ly9jb21tb24uY25ibG9ncy5jb20vaW1hZ2VzL2NvcHljb2RlLmdpZg]

对于每一个请求都分发给一个线程，每个线程中都独自处理上面的流程。

tomcat服务器的早期版本确实是这样实现的。

多线程并发模式，一个连接一个线程的优点是：

一定程度上极大地提高了服务器的吞吐量，因为之前的请求在read阻塞以后，不会影响到后续的请求，因为他们在不同的线程中。这也是为什么通常会讲“一个线程只能对应一个socket”的原因。另外有个问题，如果一个线程中对应多个socket连接不行吗？语法上确实可以，但是实际上没有用，每一个socket都是阻塞的，所以在一个线程里只能处理一个socket，就算accept了多个也没用，前一个socket被阻塞了，后面的是无法被执行到的。

多线程并发模式，一个连接一个线程的缺点是：

缺点在于资源要求太高，系统中创建线程是需要比较高的系统资源的，如果连接数太高，系统无法承受，而且，线程的反复创建-销毁也需要代价。

改进方法是：

采用基于事件驱动的设计，当有事件触发时，才会调用处理器进行数据处理。使用Reactor模式，对线程的数量进行控制，一个线程处理大量的事件。

## 4. **单线程Reactor模型** ##

Reactor模型的朴素原型

Java的NIO模式的Selector网络通讯，其实就是一个简单的Reactor模型。可以说是Reactor模型的朴素原型。

![复制代码][aHR0cHM6Ly9jb21tb24uY25ibG9ncy5jb20vaW1hZ2VzL2NvcHljb2RlLmdpZg]

static class Server
        {
    
            public static void testServer() throws IOException
            {
    
                // 1、获取Selector选择器
                Selector selector = Selector.open();
    
                // 2、获取通道
                ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
                // 3.设置为非阻塞
                serverSocketChannel.configureBlocking(false);
                // 4、绑定连接
                serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(SystemConfig.SOCKET_SERVER_PORT));
    
                // 5、将通道注册到选择器上,并注册的操作为：“接收”操作
                serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    
                // 6、采用轮询的方式，查询获取“准备就绪”的注册过的操作
                while (selector.select() > 0)
                {
                    // 7、获取当前选择器中所有注册的选择键（“已经准备就绪的操作”）
                    Iterator<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys().iterator();
                    while (selectedKeys.hasNext())
                    {
                        // 8、获取“准备就绪”的时间
                        SelectionKey selectedKey = selectedKeys.next();
    
                        // 9、判断key是具体的什么事件
                        if (selectedKey.isAcceptable())
                        {
                            // 10、若接受的事件是“接收就绪” 操作,就获取客户端连接
                            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                            // 11、切换为非阻塞模式
                            socketChannel.configureBlocking(false);
                            // 12、将该通道注册到selector选择器上
                            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                        }
                        else if (selectedKey.isReadable())
                        {
                            // 13、获取该选择器上的“读就绪”状态的通道
                            SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectedKey.channel();
    
                            // 14、读取数据
                            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                            int length = 0;
                            while ((length = socketChannel.read(byteBuffer)) != -1)
                            {
                                byteBuffer.flip();
                                System.out.println(new String(byteBuffer.array(), 0, length));
                                byteBuffer.clear();
                            }
                            socketChannel.close();
                        }
    
                        // 15、移除选择键
                        selectedKeys.remove();
                    }
                }
    
                // 7、关闭连接
                serverSocketChannel.close();
            }
    
            public static void main(String[] args) throws IOException
            {
                testServer();
            }
        }

![复制代码][aHR0cHM6Ly9jb21tb24uY25ibG9ncy5jb20vaW1hZ2VzL2NvcHljb2RlLmdpZg]

实际上的Reactor模式，是基于Java NIO的，在他的基础上，抽象出来两个组件——Reactor和Handler两个组件：

（1）Reactor：负责响应IO事件，当检测到一个新的事件，将其发送给相应的Handler去处理；新的事件包含连接建立就绪、读就绪、写就绪等。

（2）Handler:将自身（handler）与事件绑定，负责事件的处理，完成channel的读入，完成处理业务逻辑后，负责将结果写出channel。

### 4.1. **什么是单线程Reactor呢？** ###

如下图所示：

[![wpsC334.tmp][]][wpsC334.tmp 1]

这是最简单的单Reactor单线程模型。Reactor线程是个多面手，负责多路分离套接字，Accept新连接，并分派请求到Handler处理器中。

下面的图，来自于“Scalable IO in Java”，和上面的图的意思，差不多。Reactor和Hander 处于一条线程执行。

[![wpsC345.tmp][]][wpsC345.tmp 1]

顺便说一下，可以将上图的accepter，看做是一种特殊的handler。

4.2. **单线程Reactor的参考代码**

“Scalable IO in Java”，实现了一个单线程Reactor的参考代码，Reactor的代码如下：

![复制代码][aHR0cHM6Ly9jb21tb24uY25ibG9ncy5jb20vaW1hZ2VzL2NvcHljb2RlLmdpZg]

package com.crazymakercircle.ReactorModel;
    
    import java.io.IOException;
    import java.net.InetSocketAddress;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.nio.channels.SelectionKey;
    import java.nio.channels.Selector;
    import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
    import java.nio.channels.SocketChannel;
    import java.util.Iterator;
    import java.util.Set;
    
    class Reactor implements Runnable
    {
        final Selector selector;
        final ServerSocketChannel serverSocket;
    
        Reactor(int port) throws IOException
        { //Reactor初始化
            selector = Selector.open();
            serverSocket = ServerSocketChannel.open();
            serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
            //非阻塞
            serverSocket.configureBlocking(false);
    
            //分步处理,第一步,接收accept事件
            SelectionKey sk =
                    serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            //attach callback object, Acceptor
            sk.attach(new Acceptor());
        }
    
        public void run()
        {
            try
            {
                while (!Thread.interrupted())
                {
                    selector.select();
                    Set selected = selector.selectedKeys();
                    Iterator it = selected.iterator();
                    while (it.hasNext())
                    {
                        //Reactor负责dispatch收到的事件
                        dispatch((SelectionKey) (it.next()));
                    }
                    selected.clear();
                }
            } catch (IOException ex)
            { /* ... */ }
        }
    
        void dispatch(SelectionKey k)
        {
            Runnable r = (Runnable) (k.attachment());
            //调用之前注册的callback对象
            if (r != null)
            {
                r.run();
            }
        }
    
        // inner class
        class Acceptor implements Runnable
        {
            public void run()
            {
                try
                {
                    SocketChannel channel = serverSocket.accept();
                    if (channel != null)
                        new Handler(selector, channel);
                } catch (IOException ex)
                { /* ... */ }
            }
        }
    }

![复制代码][aHR0cHM6Ly9jb21tb24uY25ibG9ncy5jb20vaW1hZ2VzL2NvcHljb2RlLmdpZg]

Handler的代码如下：

![复制代码][aHR0cHM6Ly9jb21tb24uY25ibG9ncy5jb20vaW1hZ2VzL2NvcHljb2RlLmdpZg]

package com.crazymakercircle.ReactorModel;
    
    
    import com.crazymakercircle.config.SystemConfig;
    
    import java.io.IOException;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.nio.channels.SelectionKey;
    import java.nio.channels.Selector;
    import java.nio.channels.SocketChannel;
    
    class Handler implements Runnable
    {
        final SocketChannel channel;
        final SelectionKey sk;
        ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.INPUT_SIZE);
        ByteBuffer output = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.SEND_SIZE);
        static final int READING = 0, SENDING = 1;
        int state = READING;
    
        Handler(Selector selector, SocketChannel c) throws IOException
        {
            channel = c;
            c.configureBlocking(false);
            // Optionally try first read now
            sk = channel.register(selector, 0);
    
            //将Handler作为callback对象
            sk.attach(this);
    
            //第二步,注册Read就绪事件
            sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
            selector.wakeup();
        }
    
        boolean inputIsComplete()
        {
            /* ... */
            return false;
        }
    
        boolean outputIsComplete()
        {
    
            /* ... */
            return false;
        }
    
        void process()
        {
            /* ... */
            return;
        }
    
        public void run()
        {
            try
            {
                if (state == READING)
                {
                    read();
                }
                else if (state == SENDING)
                {
                    send();
                }
            } catch (IOException ex)
            { /* ... */ }
        }
    
        void read() throws IOException
        {
            channel.read(input);
            if (inputIsComplete())
            {
    
                process();
    
                state = SENDING;
                // Normally also do first write now
    
                //第三步,接收write就绪事件
                sk.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
            }
        }
    
        void send() throws IOException
        {
            channel.write(output);
    
            //write完就结束了, 关闭select key
            if (outputIsComplete())
            {
                sk.cancel();
            }
        }
    }

![复制代码][aHR0cHM6Ly9jb21tb24uY25ibG9ncy5jb20vaW1hZ2VzL2NvcHljb2RlLmdpZg]

这两段代码，是建立在JAVA NIO的基础上的，这两段代码建议一定要看懂。可以在IDE中去看源码，这样直观感觉更佳。

如果对NIO的Seletor不完全了解，影响到上面的代码阅读，请阅读疯狂创客圈的Java NIO死磕 文章。

4.3. **单线程模式的缺点:**

1、 当其中某个 handler 阻塞时， 会导致其他所有的 client 的 handler 都得不到执行， 并且更严重的是， handler 的阻塞也会导致整个服务不能接收新的 client 请求(因为 acceptor 也被阻塞了)。 因为有这么多的缺陷， 因此单线程Reactor 模型用的比较少。这种单线程模型不能充分利用多核资源，所以实际使用的不多。

2、因此，单线程模型仅仅适用于handler 中业务处理组件能快速完成的场景。

## 5. **多线程的Reactor** ##

5.1. **基于线程池的改进**

在线程Reactor模式基础上，做如下改进：

（1）将Handler处理器的执行放入线程池，多线程进行业务处理。

（2）而对于Reactor而言，可以仍为单个线程。如果服务器为多核的CPU，为充分利用系统资源，可以将Reactor拆分为两个线程。

一个简单的图如下：

[![image][]][image 1]

5.2. **改进后的完整示意图**

下面的图，来自于“Scalable IO in Java”，和上面的图的意思，差不多，只是更加详细。Reactor是一条独立的线程，Hander 处于线程池中执行。

[![wpsC376.tmp][]][wpsC376.tmp 1]

5.3. **多线程Reactor的参考代码**

“Scalable IO in Java”，的多线程Reactor的参考代码，是基于单线程做一个线程池的改进，改进的Handler的代码如下：

![复制代码][aHR0cHM6Ly9jb21tb24uY25ibG9ncy5jb20vaW1hZ2VzL2NvcHljb2RlLmdpZg]

package com.crazymakercircle.ReactorModel;
    
    
    import com.crazymakercircle.config.SystemConfig;
    
    import java.io.IOException;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.nio.channels.SelectionKey;
    import java.nio.channels.Selector;
    import java.nio.channels.SocketChannel;
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    
    class MthreadHandler implements Runnable
    {
        final SocketChannel channel;
        final SelectionKey selectionKey;
        ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.INPUT_SIZE);
        ByteBuffer output = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.SEND_SIZE);
        static final int READING = 0, SENDING = 1;
        int state = READING;
    
    
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
        static final int PROCESSING = 3;
    
        MthreadHandler(Selector selector, SocketChannel c) throws IOException
        {
            channel = c;
            c.configureBlocking(false);
            // Optionally try first read now
            selectionKey = channel.register(selector, 0);
    
            //将Handler作为callback对象
            selectionKey.attach(this);
    
            //第二步,注册Read就绪事件
            selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
            selector.wakeup();
        }
    
        boolean inputIsComplete()
        {
           /* ... */
            return false;
        }
    
        boolean outputIsComplete()
        {
    
           /* ... */
            return false;
        }
    
        void process()
        {
           /* ... */
            return;
        }
    
        public void run()
        {
            try
            {
                if (state == READING)
                {
                    read();
                }
                else if (state == SENDING)
                {
                    send();
                }
            } catch (IOException ex)
            { /* ... */ }
        }
    
    
        synchronized void read() throws IOException
        {
            // ...
            channel.read(input);
            if (inputIsComplete())
            {
                state = PROCESSING;
                //使用线程pool异步执行
                pool.execute(new Processer());
            }
        }
    
        void send() throws IOException
        {
            channel.write(output);
    
            //write完就结束了, 关闭select key
            if (outputIsComplete())
            {
                selectionKey.cancel();
            }
        }
    
        synchronized void processAndHandOff()
        {
            process();
            state = SENDING;
            // or rebind attachment
            //process完,开始等待write就绪
            selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
        }
    
        class Processer implements Runnable
        {
            public void run()
            {
                processAndHandOff();
            }
        }
    
    }

![复制代码][aHR0cHM6Ly9jb21tb24uY25ibG9ncy5jb20vaW1hZ2VzL2NvcHljb2RlLmdpZg]

Reactor 类没有大的变化，参考前面的代码。

## 6. **Reactor持续改进** ##

对于多个CPU的机器，为充分利用系统资源，将Reactor拆分为两部分。代码如下：

![复制代码][aHR0cHM6Ly9jb21tb24uY25ibG9ncy5jb20vaW1hZ2VzL2NvcHljb2RlLmdpZg]

package com.crazymakercircle.ReactorModel;
    
    import java.io.IOException;
    import java.net.InetSocketAddress;
    import java.net.Socket;
    import java.nio.channels.SelectionKey;
    import java.nio.channels.Selector;
    import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
    import java.nio.channels.SocketChannel;
    import java.util.Iterator;
    import java.util.Set;
    
    class MthreadReactor implements Runnable
    {
    
        //subReactors集合, 一个selector代表一个subReactor
        Selector[] selectors=new Selector[2];
        int next = 0;
        final ServerSocketChannel serverSocket;
    
        MthreadReactor(int port) throws IOException
        { //Reactor初始化
            selectors[0]=Selector.open();
            selectors[1]= Selector.open();
            serverSocket = ServerSocketChannel.open();
            serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
            //非阻塞
            serverSocket.configureBlocking(false);
    
    
            //分步处理,第一步,接收accept事件
            SelectionKey sk =
                    serverSocket.register( selectors[0], SelectionKey.OP_ACCEPT);
            //attach callback object, Acceptor
            sk.attach(new Acceptor());
        }
    
        public void run()
        {
            try
            {
                while (!Thread.interrupted())
                {
                    for (int i = 0; i <2 ; i++)
                    {
                        selectors[i].select();
                        Set selected =  selectors[i].selectedKeys();
                        Iterator it = selected.iterator();
                        while (it.hasNext())
                        {
                            //Reactor负责dispatch收到的事件
                            dispatch((SelectionKey) (it.next()));
                        }
                        selected.clear();
                    }
    
                }
            } catch (IOException ex)
            { /* ... */ }
        }
    
        void dispatch(SelectionKey k)
        {
            Runnable r = (Runnable) (k.attachment());
            //调用之前注册的callback对象
            if (r != null)
            {
                r.run();
            }
        }
    
    
        class Acceptor { // ...
            public synchronized void run() throws IOException
            {
                SocketChannel connection =
                        serverSocket.accept(); //主selector负责accept
                if (connection != null)
                {
                    new Handler(selectors[next], connection); //选个subReactor去负责接收到的connection
                }
                if (++next == selectors.length) next = 0;
            }
        }
    }

![复制代码][aHR0cHM6Ly9jb21tb24uY25ibG9ncy5jb20vaW1hZ2VzL2NvcHljb2RlLmdpZg]

## 7. **Reactor编程的优点和缺点** ##

6.1. **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）编程相对简单，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）可扩展性，可以方便的通过增加Reactor实例个数来充分利用CPU资源；

4）可复用性，reactor框架本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性；

6.2. **缺点**

1）相比传统的简单模型，Reactor增加了一定的复杂性，因而有一定的门槛，并且不易于调试。

2）Reactor模式需要底层的Synchronous Event Demultiplexer支持，比如Java中的Selector支持，操作系统的select系统调用支持，如果要自己实现Synchronous Event Demultiplexer可能不会有那么高效。

3） Reactor模式在IO读写数据时还是在同一个线程中实现的，即使使用多个Reactor机制的情况下，那些共享一个Reactor的Channel如果出现一个长时间的数据读写，会影响这个Reactor中其他Channel的相应时间，比如在大文件传输时，IO操作就会影响其他Client的相应时间，因而对这种操作，使用传统的Thread-Per-Connection或许是一个更好的选择，或则此时使用改进版的Reactor模式如Proactor模式。

在开启Netty源码前，上面的经典代码，一定要看懂哦！

[ ][Link 2]

[Reactor]: https://www.cnblogs.com/crazymakercircle/p/9833847.html
[Link 1]: https://www.cnblogs.com/crazymakercircle/p/9904544.html
[Netty Zookeeper Redis]: https://www.cnblogs.com/crazymakercircle/p/11397271.html
[format_png]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9pbWcyMDE4LmNuYmxvZ3MuY29tL2Jsb2cvMTQ4NTM5OC8yMDE5MDgvMTQ4NTM5OC0yMDE5MDgyMjIyNTE1NjQyNy05NTY0MjQxMjQuanBn?x-oss-process=image/format,png
[http_gee.cs.oswego.edu_dl_cpjslides_nio.pdf]: http://gee.cs.oswego.edu/dl/cpjslides/nio.pdf
[aHR0cHM6Ly9jb21tb24uY25ibG9ncy5jb20vaW1hZ2VzL2NvcHljb2RlLmdpZg]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9jb21tb24uY25ibG9ncy5jb20vaW1hZ2VzL2NvcHljb2RlLmdpZg
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[Link 2]: https://blog.csdn.net/crazymakercircle/article/details/80208650