Netty线程模型

Posted 2020-07-06 异想天开

一、Reactor模型

1、单线程模型

 Reactor单线程模型，指的是所有的IO操作都在同一个NIO线程上面完成，NIO线程的职责如下：

  1)作为NIO服务端，接收客户端的TCP连接；

  2)作为NIO客户端，向服务端发起TCP连接；

  3)读取通信对端的请求或者应答消息；

  4)向通信对端发送消息请求或者应答消息

Reactor单线程模型示意图如下所示：

   由于Reactor模式使用的是异步非阻塞IO，所有的IO操作都不会导致阻塞，理论上一个线程可以独立处理所有IO相关的操作。从架构层面看，一个NIO线程确实可以完成其承担的职责。例如，通过Acceptor类接收客户端的TCP连接请求消息，链路建立成功之后，通过Dispatch将对应的ByteBuffer派发到指定的Handler上进行消息解码。用户线程可以通过消息编码通过NIO线程将消息发送给客户端。

  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编码、解码、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；

 3、可靠性问题：一旦NIO线程意外跑飞，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。

  为了解决这些问题，演进出了Reactor多线程模型。

2、多线程模型

 Rector多线程模型与单线程模型最大的区别就是有一组NIO线程处理IO操作，它的原理图如下：

  Reactor多线程模型的特点：

  1、有专门一个NIO线程-Acceptor线程用于监听服务端，接收客户端的TCP连接请求；

  2、网络IO操作-读、写等由一个NIO线程池负责，线程池可以采用标准的JDK线程池实现，它包含一个任务队列和N个可用的线程，由这些NIO线程负责消息的读取、解码、编码和发送；

  3、1个NIO线程可以同时处理N条链路，但是1个链路只对应1个NIO线程，防止发生并发操作问题。

  在绝大多数场景下，Reactor多线程模型都可以满足性能需求；但是，在极个别特殊场景中，一个NIO线程负责监听和处理所有的客户端连接可能会存在性能问题。例如并发百万客户端连接，或者服务端需要对客户端握手进行安全认证，但是认证本身非常损耗性能。在这类场景下，单独一个Acceptor线程可能会存在性能不足问题，为了解决性能问题，产生了第三种Reactor线程模型-主从Reactor多线程模型。

 3、主从多线程模型

 主从Reactor线程模型的特点是：服务端用于接收客户端连接的不再是个1个单独的NIO线程，而是一个独立的NIO线程池。Acceptor接收到客户端TCP连接请求处理完成后（可能包含接入认证等），将新创建的SocketChannel注册到IO线程池（sub reactor线程池）的某个IO线程上，由它负责SocketChannel的读写和编解码工作。Acceptor线程池仅仅只用于客户端的登陆、握手和安全认证，一旦链路建立成功，就将链路注册到后端subReactor线程池的IO线程上，由IO线程负责后续的IO操作。

 它的线程模型如下图所示：

 

  利用主从NIO线程模型，可以解决1个服务端监听线程无法有效处理所有客户端连接的性能不足问题。

  它的工作流程总结如下：

  从主线程池中随机选择一个Reactor线程作为Acceptor线程，用于绑定监听端口，接收客户端连接；

  Acceptor线程接收客户端连接请求之后创建新的SocketChannel，将其注册到主线程池的其它Reactor线程上，由其负责接入认证、IP黑白名单过滤、握手等操作；

  步骤2完成之后，业务层的链路正式建立，将SocketChannel从主线程池的Reactor线程的多路复用器上摘除，重新注册到Sub线程池的线程上，用于处理I/O的读写操作。

二、Netty线程模型

   Netty的线程模型与上面介绍的三种Reactor线程模型相似，下面章节我们通过Netty服务端和客户端的线程处理流程图来介绍Netty的线程模型：

  1、服务端线程模型

  一种比较流行的做法是服务端监听线程和IO线程分离，类似于Reactor的多线程模型，它的工作原理图如下：

 结合Netty的源码，对服务端创建线程工作流程进行介绍：

 第一步，从用户线程发起创建服务端操作，代码如下：

 

  通常情况下，服务端的创建是在用户进程启动的时候进行，因此一般由Main函数或者启动类负责创建，服务端的创建由业务线程负责完成。在创建服务端的时候实例化了2个EventLoopGroup，1个EventLoopGroup实际就是一个EventLoop线程组，负责管理EventLoop的申请和释放。

  EventLoopGroup管理的线程数可以通过构造函数设置，如果没有设置，默认取-Dio.netty.eventLoopThreads，如果该系统参数也没有指定，则为可用的CPU内核数 × 2。

  BossGroup线程组实际就是Acceptor线程池，负责处理客户端的TCP连接请求，如果系统只有一个服务端端口需要监听，则建议bossGroup线程组线程数设置为1。

  WorkerGroup是真正负责I/O读写操作的线程组，通过ServerBootstrap的group方法进行设置，用于后续的Channel绑定。

第二步，Acceptor线程绑定监听端口，启动NIO服务端，相关代码如下：

 其中，group()返回的就是bossGroup，它的next方法用于从线程组中获取可用线程，代码如下：

 服务端Channel创建完成之后，将其注册到多路复用器Selector上，用于接收客户端的TCP连接，核心代码如下：

 第三步，如果监听到客户端连接，则创建客户端SocketChannel连接，重新注册到workerGroup的IO线程上。首先看Acceptor如何处理客户端的接入：

调用unsafe的read（）方法，对于NioserverSocketChannel，它调用了NioMessageUnsafe的read()方法，代码如下：

 

 最终它会调用NioServerSocketChannel的doReadMessages方法，代码如下：

其中childEventLoopGroup就是之前的workerGroup,从中选择一个I/O线程负责网络消息的读写。

第四步，选择IO线程之后，将SocketChannel注册到多路复用器上，监听READ操作。

第五步，处理网络的I/O读写事件，核心代码如下：

2、客户端线程模型

相比于服务端，客户端的线程模型简单一些，它的工作原理如下：

第一步，由用户线程发起客户端连接，示例代码如下：

   大家发现相比于服务端，客户端只需要创建一个EventLoopGroup，因为它不需要独立的线程去监听客户端连接，也没必要通过一个单独的客户端线程去连接服务端。Netty是异步事件驱动的NIO框架，它的连接和所有IO操作都是异步的，因此不需要创建单独的连接线程。相关代码如下：

当前的group（）就是之前传入的EventLoopGroup，从中获取可用的IO线程EventLoop，然后作为参数设置到新创建的NioSocketChannel中。

第二步，发起连接操作，判断连接结果，代码如下：

判断连接结果，如果没有连接成功，则监听连接网络操作位SelectionKey.OP_CONNECT。如果连接成功，则调用pipeline().fireChannelActive()将监听位修改为READ。

第三步，由NioEventLoop的多路复用器轮询连接操作结果，代码如下：

判断连接结果，如果或连接成功，重新设置监听位为READ：

第四步，由NioEventLoop线程负责I/O读写，同服务端。

总结：客户端创建，线程模型如下：

由用户线程负责初始化客户端资源，发起连接操作；

如果连接成功，将SocketChannel注册到IO线程组的NioEventLoop线程中，监听读操作位；

如果没有立即连接成功，将SocketChannel注册到IO线程组的NioEventLoop线程中，监听连接操作位；

连接成功之后，修改监听位为READ，但是不需要切换线程。

参见：http://www.uml.org.cn/j2ee/201408283.asp

          http://my.oschina.net/flashsword/blog/178561