Reactor模型详解

       对于Java IO模型的变化，描述最为清楚的莫属于Doug Lea对Reactor模型的讲解《Scalable IO in Java》。本文则主要围绕该文档，对Java IO模型的演变过程进行讲解，并且会讲解各个模型所解决的问题以及其存在的问题。最后，本文也会以一个实际的例子来实现Reactor模型。

1. 传统IO模型

       对于传统IO模型，其主要是一个Server对接N个客户端，在客户端连接之后，为每个客户端都分配一个执行线程。如下图是该模型的一个演示：

       从图中可以看出，传统IO的特点在于：

• 每个客户端连接到达之后，服务端会分配一个线程给该客户端，该线程会处理包括读取数据，解码，业务计算，编码，以及发送数据整个过程；
• 同一时刻，服务端的吞吐量与服务器所提供的线程数量是呈线性关系的。

       这种设计模式在客户端连接不多，并发量不大的情况下是可以运行得很好的，但是在海量并发的情况下，这种模式就显得力不从心了。这种模式主要存在的问题有如下几点：

• 服务器的并发量对服务端能够创建的线程数有很大的依赖关系，但是服务器线程却是不能无限增长的；
• 服务端每个线程不仅要进行IO读写操作，而且还需要进行业务计算；
• 服务端在获取客户端连接，读取数据，以及写入数据的过程都是阻塞类型的，在网络状况不好的情况下，这将极大的降低服务器每个线程的利用率，从而降低服务器吞吐量。

2. Reactor事件驱动模型

       在传统IO模型中，由于线程在等待连接以及进行IO操作时都会阻塞当前线程，这部分损耗是非常大的。因而jdk 1.4中就提供了一套非阻塞IO的API。该API本质上是以事件驱动来处理网络事件的，而Reactor是基于该API提出的一套IO模型。如下是Reactor事件驱动模型的示意图：

       从图中可以看出，在Reactor模型中，主要有四个角色：客户端连接，Reactor，Acceptor和Handler。这里Acceptor会不断地接收客户端的连接，然后将接收到的连接交由Reactor进行分发，最后有具体的Handler进行处理。改进后的Reactor模型相对于传统的IO模型主要有如下优点：

• 从模型上来讲，如果仅仅还是只使用一个线程池来处理客户端连接的网络读写，以及业务计算，那么Reactor模型与传统IO模型在效率上并没有什么提升。但是Reactor模型是以事件进行驱动的，其能够将接收客户端连接，网络读和网络写，以及业务计算进行拆分，从而极大的提升处理效率；
• Reactor模型是异步非阻塞模型，工作线程在没有网络事件时可以处理其他的任务，而不用像传统IO那样必须阻塞等待。

3. Reactor模型----业务处理与IO分离

       在上面的Reactor模型中，由于网络读写和业务操作都在同一个线程中，在高并发情况下，这里的系统瓶颈主要在两方面：

• 高频率的网络读写事件处理；
• 大量的业务操作处理；

       基于上述两个问题，这里在单线程Reactor模型的基础上提出了使用线程池的方式处理业务操作的模型。如下是该模型的示意图：

       从图中可以看出，在多线程进行业务操作的模型下，该模式主要具有如下特点：

• 使用一个线程进行客户端连接的接收以及网络读写事件的处理；
• 在接收到客户端连接之后，将该连接交由线程池进行数据的编解码以及业务计算。

       这种模式相较于前面的模式性能有了很大的提升，主要在于在进行网络读写的同时，也进行了业务计算，从而大大提升了系统的吞吐量。但是这种模式也有其不足，主要在于：

• 网络读写是一个比较消耗CPU的操作，在高并发的情况下，将会有大量的客户端数据需要进行网络读写，此时一个线程将不足以处理这么多请求。

4. Reactor模型----并发读写

       对于使用线程池处理业务操作的模型，由于网络读写在高并发情况下会成为系统的一个瓶颈，因而针对该模型这里提出了一种改进后的模型，即使用线程池进行网络读写，而仅仅只使用一个线程专门接收客户端连接。如下是该模型的示意图：

       可以看到，改进后的Reactor模型将Reactor拆分为了mainReactor和subReactor。这里mainReactor主要进行客户端连接的处理，处理完成之后将该连接交由subReactor以处理客户端的网络读写。这里的subReactor则是使用一个线程池来支撑的，其读写能力将会随着线程数的增多而大大增加。对于业务操作，这里也是使用一个线程池，而每个业务请求都只需要进行编解码和业务计算。通过这种方式，服务器的性能将会大大提升，在可见情况下，其基本上可以支持百万连接。

5. Reactor模型示例

       对于上述Reactor模型，服务端主要有三个角色：Reactor，Acceptor和Handler。这里基于Doug Lea的文档对其进行了实现，如下是Reactor的实现代码：

public class Reactor implements Runnable {
  private final Selector selector;
  private final ServerSocketChannel serverSocket;

  public Reactor(int port) throws IOException {
    serverSocket = ServerSocketChannel.open();  // 创建服务端的ServerSocketChannel
    serverSocket.configureBlocking(false);  // 设置为非阻塞模式
    selector = Selector.open();  // 创建一个Selector多路复用器
    SelectionKey key = serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    serverSocket.bind(new InetSocketAddress(port));  // 绑定服务端端口
    key.attach(new Acceptor(serverSocket));  // 为服务端Channel绑定一个Acceptor
  }

  @Override
  public void run() {
    try {
      while (!Thread.interrupted()) {
        selector.select();  // 服务端使用一个线程不断等待客户端的连接到达
        Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
        Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
          dispatch(iterator.next());  // 监听到客户端连接事件后将其分发给Acceptor
          iterator.remove();
        }

        selector.selectNow();
      }
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }

  private void dispatch(SelectionKey key) throws IOException {
    // 这里的attachement也即前面为服务端Channel绑定的Acceptor，调用其run()方法进行
    // 客户端连接的获取，并且进行分发
    Runnable attachment = (Runnable) key.attachment();
    attachment.run();
  }
}

       这里Reactor首先开启了一个ServerSocketChannel，然后将其绑定到指定的端口，并且注册到了一个多路复用器上。接着在一个线程中，其会在多路复用器上等待客户端连接。当有客户端连接到达后，Reactor就会将其派发给一个Acceptor，由该Acceptor专门进行客户端连接的获取。下面我们继续看一下Acceptor的代码：

public class Acceptor implements Runnable {
  private final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(20);

  private final ServerSocketChannel serverSocket;

  public Acceptor(ServerSocketChannel serverSocket) {
    this.serverSocket = serverSocket;
  }

  @Override
  public void run() {
    try {
      SocketChannel channel = serverSocket.accept();  // 获取客户端连接
      if (null != channel) {
        executor.execute(new Handler(channel));  // 将客户端连接交由线程池处理
      }
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

       这里可以看到，在Acceptor获取到客户端连接之后，其就将其交由线程池进行网络读写了，而这里的主线程只是不断监听客户端连接事件。下面我们看看Handler的具体逻辑：

public class Handler implements Runnable {
  private volatile static Selector selector;
  private final SocketChannel channel;
  private SelectionKey key;
  private volatile ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(1024);
  private volatile ByteBuffer output = ByteBuffer.allocate(1024);

  public Handler(SocketChannel channel) throws IOException {
    this.channel = channel;
    channel.configureBlocking(false);  // 设置客户端连接为非阻塞模式
    selector = Selector.open();  // 为客户端创建一个新的多路复用器
    key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);  // 注册客户端Channel的读事件
  }

  @Override
  public void run() {
    try {
      while (selector.isOpen() && channel.isOpen()) {
        Set<SelectionKey> keys = select();  // 等待客户端事件发生
        Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
          SelectionKey key = iterator.next();
          iterator.remove();

          // 如果当前是读事件，则读取数据
          if (key.isReadable()) {
            read(key);
          } else if (key.isWritable()) {
           // 如果当前是写事件，则写入数据
            write(key);
          }
        }
      }
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }

  // 这里处理的主要目的是处理Jdk的一个bug，该bug会导致Selector被意外触发，但是实际上没有任何事件到达，
  // 此时的处理方式是新建一个Selector，然后重新将当前Channel注册到该Selector上
  private Set<SelectionKey> select() throws IOException {
    selector.select();
    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
    if (keys.isEmpty()) {
      int interestOps = key.interestOps();
      selector = Selector.open();
      key = channel.register(selector, interestOps);
      return select();
    }

    return keys;
  }

  // 读取客户端发送的数据
  private void read(SelectionKey key) throws IOException {
    channel.read(input);
    if (input.position() == 0) {
      return;
    }

    input.flip();
    process();  // 对读取的数据进行业务处理
    input.clear();
    key.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);  // 读取完成后监听写入事件
  }

  private void write(SelectionKey key) throws IOException {
    output.flip();
    if (channel.isOpen()) {
      channel.write(output);  // 当有写入事件时，将业务处理的结果写入到客户端Channel中
      key.channel();
      channel.close();
      output.clear();
    }
  }
    
  // 进行业务处理，并且获取处理结果。本质上，基于Reactor模型，如果这里成为处理瓶颈，
  // 则直接将其处理过程放入线程池即可，并且使用一个Future获取处理结果，最后写入客户端Channel
  private void process() {
    byte[] bytes = new byte[input.remaining()];
    input.get(bytes);
    String message = new String(bytes, CharsetUtil.UTF_8);
    System.out.println("receive message from client: \n" + message);

    output.put("hello client".getBytes());
  }
}

       在Handler中，主要进行的就是为每一个客户端Channel创建一个Selector，并且监听该Channel的网络读写事件。当有事件到达时，进行数据的读写，而业务操作这交由具体的业务线程池处理。

6. 小结

       本文首先讲解了Java IO的几种网络模型，着重比较了每种不同的模型的优缺点，并且基于Reactor模型，使用一个实例对其实现过程进行了演示。