三、线程/进程模型

三、线程/进程模型

    1、基本概念

        (1)、进程/线程模型

            基于进程/线程模型，服务器如何处理请求，具体选择线程还是进程，更多是与平台及编程语言相关，例如C语言使用线程和进程都可以（例如Nginx使用进程，Memcached使用线程），Java语言一般使用线程（例如Netty）。

    2、阻塞I/O模型

        (1)、简介

            采用阻塞式I/O模型获取输入数据，每个连接都需要独立的线程完成数据输入，业务处理，数据返回的完整操作。

            ①、图解

                a、黄色框：表示对象

                b、蓝色框：表示线程

                c、白色框：表示方法（API）

        (2)、缺点

            ①、当并发数较大时，需要创建大量线程来处理连接，系统资源占用较大。

            ②、连接建立后，如果当前线程暂时没有数据可读，则线程就阻塞在read操作上，造成线程资源浪费。

    3、事件驱动模型

        (1)、事件处理模型的设计思路

            ①、轮询方式：线程不断轮询访问相关事件发生源有没有发生事件，有发生事件就调用事件处理逻辑。

            ②、事件驱动方式：发生事件，主线程把事件放入事件队列，在另外线程不断循环消费事件列表中的事件，调用事件对应的处理逻辑处理事件。事件驱动方式也被称为消息通知方式，其实是设计模式中观察者模式的思路。

        (2)、基本组件

            ①、事件队列（event queue）：接收事件的入口，存储待处理事件。

            ②、分发器（event mediator）：将不同的事件分发到不同的业务逻辑单元。

            ③、事件通道（event channel）：分发器与处理器之间的联系渠道。

            ④、事件处理器（event processor）：实现业务逻辑，处理完成后会发出事件，触发下一步操作。

        (3)、流程图

        (4)、优点

            ①、可扩展性好，分布式的异步架构，事件处理器之间高度解耦，可以方便扩展事件处理逻辑。

            ②、高性能，基于队列暂存事件，能方便并行异步处理事件。

    4、Reactor线程模型

        (1)、简介

            ①、Reactor是反应堆的意思，Reactor模式基本设计思想就是I/O复用模型结合线程池。

            ②、Reactor模式是指通过一个或多个输入同时传递给服务处理器的服务请求的事件驱动处理模式。 

            ③、服务端程序处理传入多路请求，并将它们同步分派给请求对应的处理线程，Reactor模式也叫Dispatcher模式，即I/O多了复用统一监听事件，收到事件后分发(Dispatch给某进程)，是编写高性能网络服务器的必备技术之一。

            ④、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上等待，无需阻塞等待所有连接。当某条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。

            ⑤、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。

        (2)、组成

            ①、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。

            ②、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。

        (3)、分类

            根据Reactor的数量和Hanndler线程数量的不同可以分为3种典型的实现。可以用个比喻来理解，餐厅常常雇佣接待员负责迎接顾客，当顾客入坐后，侍应生专门为这张桌子服务。

            ①、单Reactor单线程

                比喻：接待员和侍应生是同一个人，全程为顾客服务。

            ②、单Reactor多线程

                比喻：一个接待员，多个侍应生，接待员只负责接待。

            ③、主从Reactor多线程

                比喻：多个接待员，多个侍应生。

        (4)、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、可扩展性强，可以方便的通过增加Reactor实例个数来充分利用CPU资源。

            ④、可复用性强，Reactor模型本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性。

    5、单Reactor单线程模型

        (1)、流程说明

            ①、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。

            ②、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。

            ③、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。

            ④、Handler会完成read->业务处理->send的完整业务流程。

        (2)、优缺点

            ①、优点

                a、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。

            ②、缺点

                a、性能问题，只有一个线程，无法完全发挥多核CPU的性能。

                b、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。

                c、可靠性问题，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。

        (3)、应用场景

            客户端的数量有限，业务处理非常快速，比如Redis，业务处理的时间复杂度O(1)。

    6、单Reactor多线程模型

        (1)、流程说明

            ①、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

            ②、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续各种事件。

            ③、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。

            ④、Handler只负责响应事件，不做具体业务处理，通过read读取数据后，会分发给后面的Worker线程池进行业务处理。

            ⑤、Worker线程池会分配独立的线程完成真正的业务处理，如何将响应结果发给Handler进行处理。

            ⑥、Handler收到响应结果后通过send将响应结果返回给client。

        (2)、优缺点

            ①、优点

                a、可以充分利用多核CPU的处理能力。

            ②、缺点

                a、多线程数据共享和访问比较复杂。

                b、Reactor承担所有事件的监听和响应，在单线程中运行，高并发场景下容易成为性能瓶颈。

    7、主从Reactor多线程模型

        (1)、Mutilple Reactors模式有多个reactor：mainReactor和subReactor，其中mainReactor负责客户端的连接请求，并将请求转交给subReactor，后由subReactor负责相应通道的IO请求，非IO请求（具体逻辑处理）的任务则会直接写入队列，等待worker threads进行处理。

        (2)、流程说明

            针对单Reactor多线程模型中，Reactor在单线程中运行，高并发场景下容易成为性能瓶颈，可以让Reactor在多线程中运行。

            ①、Reactor主线程MainReactor对象通过select监控建立连接事件，收到事件后通过Acceptor接收，处理建立连接事件。

            ②、Acceptor处理建立连接事件后，MainReactor将连接分配Reactor子线程给SubReactor进行处理。

            ③、SubReactor将连接加入连接队列进行监听，并创建一个Handler用于处理各种连接事件

            ④、当有新的事件发生时，SubReactor会调用连接对应的Handler进行响应。

            ⑤、Handler通过read读取数据后，会分发给后面的Worker线程池进行业务处理。

            ⑥、Worker线程池会分配独立的线程完成真正的业务处理，如何将响应结果发给Handler进行处理。

            ⑦、Handler收到响应结果后通过send将响应结果返回给client。

        (3)、优点

            ①、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。

            ②、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。

            ③、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。

    8、Proactor模型

        (1)、简介

            在Reactor模式中，Reactor等待某个事件或者可应用或者操作的状态发生（比如文件描述符可读写，或者是socket可读写），然后把这个事件传给事先注册的Handler（事件处理函数或者回调函数），由后者来做实际的读写操作，其中的读写操作都需要应用程序同步操作，所以Reactor是非阻塞同步网络模型。如果把I/O操作改为异步，即交给操作系统来完成就能进一步提升性能，这就是异步网络模型Proactor。

        (2)、流程说明

            ①、ProactorInitiator创建Proactor和Handler对象，并将Proactor和Handler都通过AsyOptProcessor（Asynchronous Operation Processor）注册到内核。

            ②、AsyOptProcessor处理注册请求，并处理I/O操作。

            ③、AsyOptProcessor完成I/O操作后通知Proactor。

            ④、Proactor根据不同的事件类型回调不同的Handler进行业务处理。

            ⑤、Handler完成业务处理。

        (3)、Proactor和Reactor区别

            ①、Reactor是在事件发生时就通知事先注册的事件（读写在应用程序线程中处理完成）。

            ②、Proactor是在事件发生时基于异步I/O完成读写操作（由内核完成），待I/O操作完成后才回调应用程序的处理器来处理进行业务处理。

        (4)、优缺点

            ①、优点

                a、理论上Proactor比Reactor效率更高，异步I/O更加充分发挥DMA(Direct Memory Access，直接内存存取)的优势

            ②、缺点

                a、编程复杂性：由于异步操作流程的事件的初始化和事件完成在时间和空间上都是相互分离的，因此开发异步应用程序更加复杂。应用程序还可能因为反向的流控而变得更加难以Debug。

                b、内存使用：缓冲区在读或写操作的时间段内必须保持住，可能造成持续的不确定性，并且每个并发操作都要求有独立的缓存，相比Reactor模式，在socket已经准备好读或写前，是不要求开辟缓存的。

                c、操作系统支持：Windows下通过IOCP实现了真正的异步I/O，而在Linux系统下，Linux2.6才引入，目前异步I/O还不完善，因此在Linux下实现高并发网络编程都是以Reactor模型为主。

    9、Netty模型

        (1)、简介

            Netty的默认线程模型是主从Reactors多线程模型的变种，基于主从Reactors多线程模型，借用了mainReactor和subReactor的结构，但是从代码里看来，它并没有主从Reactors多线程模型的Thread Pool，Netty的subReactor与worker thread是同一个线程，采用IO多路复用机制，可以使一个subReactor监听并处理多个channel的IO请求。

            ①、MainReactor负责客户端的连接请求，并将请求转交给SubReactor。

            ②、SubReactor负责相应通道的IO读写请求。

            ③、非IO请求（具体逻辑处理）的任务则会直接写入队列，等待worker threads进行处理。

        (2)、流程

            ①、parentGroup和childGroup是Bootstrap构造方法中传入的两个对象，这两个group均是线程池，childGroup线程池会被各个subReactor充分利用，parentGroup线程池则只是在bind某个端口后，获得其中一个线程作为mainReactor

            ②、图中将subReactor和worker thread合并成了一个个的loop，具体的请求操作均在loop中完成。

参考资料记录：Netty基础概念_L_D_Y_K的博客-CSDN博客