【图解IO与Netty系列】Reactor模型

Reactor模型简介

Reactor模型是服务器端用于处理高并发网络IO请求的编程模型，与传统的一请求一线程的同步式编程模型不同的是，Reactor模型是基于事件驱动的响应式编程模型，可以一个线程处理多个请求，并且是异步处理，在高并发场景下，性能大大的提升。

传统的同步式编程模型如下：

服务端接收到请求后，从线程池中拿出一个线程（比如Tomcat里的线程池），经过Controller、Service、Dao的一顿处理，最后返回响应结果给客户端。这种同步处理请求的方式效率并不高，可以应对一些并发量不高的场景。

基于事件驱动的响应式编程模型如下：

1. 服务端启动时，会创建Reactor反应器，然后会向Reactor注册基本的事件类型与对应的Handler（比如网络编程时的连接就绪事件与Acceptor）
2. 当服务端接收到客户端的请求时，服务端的Reactor就有事件就绪，Reactor会获取到就绪的事件，在高并发场景下，Reactor有可能获取到一批就绪的事件
3. Reactor进事件分发，把事件分派给与之绑定的Handler中，Handler对事件的处理可以在当前线程中也可以在线程池中，当然在线程池中处理性能会更高
4. Handler处理完毕后，如果后续还有其他处理步骤，则可以继续注册新的事件与对应的Handler到Reactor中；如果没有后续，则可以返回响应结果给客户端，返回响应结果这个动作可作为单独的一个事件，由对应的Handler进行处理，那么也可以继续注册到Reactor中。

Reactor其实就是一个线程，可以看到它就在一个死循环中进行事件监听以及事件分派，这就是事件循环。

Reactor模型底层使用了IO多路复用，通过对IO多路复用机制的合理利用，使得服务器端达到高效的处理网络IO请求的目的。我们可以使用Java提供的NIO来实现Java版本的Reactor模型。

三类事件与三类角色

Reactor模型抽象了三类事件和三类角色，它们是Reactor模型的核心组成部分。三类事件是：连接就绪事件，读就绪事件、写就绪事件。三类角色是：Reactor、Acceptor、Handler。

首先我们来了解一下三类事件。

• 连接就绪事件：客户端向服务端发起连接的时候，对应的Channel就有连接就绪事件发生。
• 读就绪事件：当客户端向服务器端发送数据时，对应的Channel就有读就绪事件发生。
• 写就绪事件：当服务器处理完客户端发送的数据，需要返回结果时，可以向Selector注册一个写就绪事件并与对应的Channel关联，那么对应Channel就有写就绪事件发生。

我们再来了解一下三类角色。

Reactor是相当于是一个事件分派器，Reactor专门负责监听事件的发生，并把发生的事件交给对应的处理器处理，这里的处理器指的就是Acceptor或Handler。Reactor是一个线程，它通过Selector注册并监听多个Channel，如果监听到有事件发生，判断是连接就绪事件，会交给Acceptor处理，如果发生的事件是读就绪事件或写就绪事件，会交给Handler处理。

如果是连接就绪事件，Reactor会将其分派给Acceptor处理，Acceptor会调用accept()方法获取到连接对应的SocketChannel，然后会将其设置为非阻塞，注册到Reactor的Selector中，设置关注的事件为读就绪事件。

如果是读就绪事件，那么Reactor会将其分派给与其绑定的Handler处理，该Handler会经过read、decode、compute、encode、send五个步骤的处理。

1. read：读取Channel中的数据
2. decode：对读到的数据进行解码
3. compute：解码后的数据进行相应处理
4. encode：对处理后的结果进行编码
5. send：编码后的数据发送给客户端。

之所以要进行decode和encode，是因为数据在网络上是以二进制的形式传输的，因此服务端接收到后要对二进制字节码进行解码操作，然后才能对解码后的数据进行处理，处理完的数据要发送到网络，也要编码成二进制的格式。

其中，send操作可以立刻发送数据写出到Channel，也可以注册一个写就绪事件到Selector，这就相当于进行异步发送。

Reactor模型整体流程

1. 首先，一开始我们只把ServerSocketChannel以及连接事件处理器Acceptor注册到Reactor中，Reactor会把ServerSocketChannel注册到Selector中，并设置关注连接就绪事件
2. 一旦客户端发起连接，ServerSocketChannel的连接就绪事件就绪，Reactor会将其分派给Acceptor处理，Acceptor会获取到连接对应的SocketChannel，并将其与对应的处理器Handler注册到Reactor，Reactor会将其注册到Selector中。
3. 随后客户端向服务端发送数据，Reactor监听到对应的SocketChannel有读就绪事件发生，会将其分派给与其绑定的Handler进行处理。
4. Handler被分派到读就绪事件时，会经过read、decode、compute、encode、send五个步骤的处理。
5. 服务端要把处理结果返回给客户端，会向Reactor注册一个对应Channel的写就绪事件，Reactor监听到写就绪事件，会分派给与该Channel绑定的Handler处理，Handler把返回结果发送出去。

各种Reactor模型

Reactor编程模型不是只有单一的一种编程模型，它有单Reactor单线程模型、单Reactor多线程模型、主从Reactor模型等多种模型。

单Reactor单线程模型

单Reactor单线程模型是最简单的模型，当然性能也是最低的。单Reactor模型只有一个Reactor，这个Reactor即负责处理连接建立，也负责数据读写和计算等处理。并且由于是单线程模型，所以数据读取后的计算处理，也是在当前线程中完成。

这种单Reactor单线程模型虽然性能比其他的Reactor模型低，但是优点是比较的简单，没有了多线程就意味着没有了“多线程翻车”的一些情况出现。值得一提的是，Redis的事件驱动框架就是单Reactor单线程模型。

但是由于连接建立与IO处理都在一个Reactor线程中进行，因此在高并发场景下，该Reactor线程的压力会非常大，特别是在数据计算还比较复杂的场景，单线程的Reactor模型有可能支撑不住。之所以Redis使用单Reactor单线程模型还能支撑高并发读写的场景，其中一个原因是因为Redis内部不涉及太复杂的数据计算。

单Reactor多线程模型

单Reactor多线程模型是在单Reactor模型的基础上增加了线程池，可以把decode、compute、encode等需要计算的操作提交到线程池执行，而Reactor线程则专注于连接建立与IO的处理（也就是read和send）。

把涉及到计算的处理抽到了线程池中处理，可以在一定程度上缓解Reactor线程的压力。但是由于还是单Reactor模型，IO处理依然在该Reactor线程中进行，高并发场景下，可能会由于大量的IO请求需要处理而导致连接建立的处理受到影响，该Reactor线程可能无法及时响应客户端连接建立的请求。

主从Reactor模型

主从Reactor模型在单Reactor多线程模型基础上做了改进，把IO处理分离到了子Reactor中，主Reactor只专注于连接请求的处理，主Reactor一般只有一个（也可有多个），而子Reactor一般有多个。当主Reactor上有连接就绪事件发生时，通过Acceptor获取到连接对应的SocketChannel，然后把该SocketChannel注册到子Reactor中，由子Reactor监听该Channel的读就绪事件并处理。

由于连接建立与IO处理分离到了不同的Reactor，当有大量并发的IO请求需要处理时，也不会影响到客户端建立连接的请求。