Netty入门指南之Reactor模型

Aomsir2023-11-14 23:52

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文章目录

参考文献

前言

在我们之前的文章中，我们详细地探讨了Java NIO和Selector的相关内容，这为我们进一步的学习打下了坚实的基础。从本篇文章开始，我们将深入学习并理解Reactor模型

单线程Reactor模型

在前两篇文章，我们使用Selector去监控Channel的ACCEPT事件、WRITE事件、READ事件等等，监听到以后就在当前线程进行处理，这已经是一个单线程的Reactor的模型，Selector来进行分发，起到一个多路复用器的作用，但是这个还远远不够，怎么能只让一个线程来同时处理ACCEPT、WRITE和READ ，所以就有了我们后面的主从式

主从式Reactor模型

谈起主从架构，也就是master-slave，它是主节点做一部分内容，从节点做另外一部分的内容，主从都干活，但是干的活内容不一样，比如我们常见的MySQL和Redis，它们的读写分离就是主从式架构。

还有一种架构是主备架构(Master-Backup)，这种架构就是主挂了以后，从起作用，干的活是一样的，比如Redis中的哨兵机制。

结合如下图例更为详细的理解主从式Reactor模型，我们的Boss和Worker都是不同的线程，甚至在实战过程中会是不同的服务器。Boss线程主要用于接收Accept请求，去与客户端建立SocketChannel连接，Worker线程主要去处理实际的读写操作。我们需要把单线程Reactor模型中的sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ)转移到Worker线程中去。

多线程知识扫盲

在接下来的学习中，我们将使用NIO和Selector来实现一个主从Reactor模型。这需要我们具备一定的多线程知识，因此这里我会为你简单介绍一下Java中的多线程。

在Java中，我们通常通过Thread类来创建和管理新的线程。在实际开发中，我们可以创建一个新的类，让它继承Thread类，并重写其run方法。在这个run方法中，我们可以编写自己的多线程任务逻辑。但是，Java的类只能单继承，这在某些情况下可能会对我们的系统设计造成限制。

因此，Java还为我们提供了另一种创建线程的方式，即通过实现Runnable接口。我们可以自定义一个类，让它实现Runnable接口，并重写其run方法，在这个方法中编写我们的多线程任务逻辑。然后，我们可以将这个Runnable实现类的对象传递给Thread类的构造方法，从而创建Thread类的对象。这种方式的优点是，我们不再需要直接继承Thread类来实现多线程任务，而是可以将任务逻辑封装在实现了Runnable接口的类中。这样，我们的类就可以在保持多线程功能的同时，也能继承其他类，从而提供更大的设计灵活性。

由于Java的Thread类实现了Runnable接口，我们可以在设计系统时，采用以下策略：在Runnable的实现类中，添加一个Thread类型的属性，并提供一个register方法。在这个register方法中，我们可以初始化Thread属性，直接将当前类对象(Runnable实现类)传入Thread构造方法进行初始化，然后启动线程。这样我们就可以直接在Runnable内部直接进行线程任务逻辑等，而外部只需要提供一个Runnable接口实现类，线程的创建和启动等都在Runnable接口内部进行操作，封装度更高也更灵活

⚠️注意

  • 启动多线程任务是通过Thread#start()方法，而不是通过Thread#run()方法，调用start方法以后，CPU的时间片也不会立马分配给这个线程
  • 除了Thread#run()和Runnable#run()方法内的代码是属于多线程的，其余的都是main线程，包括Runnable实现类中的自定义方法
  • CPU时间片不一定会等待主线程某个方法完全执行才切换给别的线程，但它一定会等一个代码块执行完，比如if
java 复制代码 
public class MyThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("线程任务逻辑" + i);
        }
    }
}
java 复制代码 
public class MyRunnable implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("线程任务逻辑" + " " + i);
        }
    }
}

public class RunnableTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建任务对象
        MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();

        // 创建线程对象,并将任务传递进去
        Thread t1 = new Thread(myRunnable);

        // 启动线程
        t1.start();

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("main线程" + " " + i);
        }
    }
}

Worker线程

这是我们的Worker线程，用于处理客户端与服务端的读写，在我们这个案例中，所有的读写都交给这些worker线程，主线程不管具体的写。如果是单核CPU，那么时间片会不停的在这些时间片时间轮转，而如果是多核CPU，那直接主线程用于处理连接，多个worker线程用于处理具体的读写

在下面这个Worker模型中，我们Worker是一个Runnable实现类，其中包含一个Thread类型的属性，在register方法中对它进行初始化，将实现类本类对象传入，代表后面这个thread对象调用的任务是实现类中重写的run方法的逻辑。

⚠️注意

  • 主线程和Worker线程维护不同的selector，以免出现污染，主线程的selector监控ServerSocketChannel的ACCEPT事件，Worker线程的selector监控注册在对应线程上的SocketChannel的READ/WRITE事件
  • register方法属于主线程，如果等初始化完还没将SocketChannel注册到这个线程的Selector上，就去执行Worker线程的run方法，那selector就会成为阻塞状态，当CPU时间片切换回主线程，就会注册不上，成为一个死锁状态。
  • 为了解决上面这个问题，我们需要将注册这部分的代码放在任务队列里进行传递，但是阻塞问题还是存在，所以我们将selector唤醒，不让其阻塞。当时间片切换到Worker线程，select方法就不会阻塞，运行循环下面的代码，将注册的代码取出来运行，然后处理读写

☹️难点

  • 时间片在sc未注册到selector时就切换给worker线程导致selector阻塞，然后导致阻塞
  • 使用任务队列传递代码同时需要唤醒selector
  • 思路的转变
java 复制代码 
public class Worker implements Runnable {
    private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(Worker.class);

    // 一个线程对应一个selector,以免污染
    private Selector selector;

    // 线程Thread对象
    private Thread thread;

    // 线程名
    private String name;

    // 通过volatile进行线程同步
    private volatile boolean isCreated;

    // 任务队列
    private ConcurrentLinkedQueue<Runnable> runnables = new ConcurrentLinkedQueue();

    // 构造器
    public Worker(String name) {
        this.name = name;
    }

    // 线程任务(此段还属于主线程!!!)
    public void register(SocketChannel sc) throws IOException,InterruptedException {
        log.debug("worker register invoke...");

        // 对于一个Runnable对象,被调用register后
        // isCreated标志位就会被置为true
        // 注意：CPU等这个if代码块执行结束才有可能被调度到worker线程
        if (!isCreated) {
            thread = new Thread(this, name);

            // 调了start,不会立马分配资源(除非抢夺)
            thread.start();
            selector = Selector.open();
            isCreated = true;
        }

        // 模拟此处时间片分给worker线程
        // worker线程进入run方法,开始阻塞监听
        // selector就会一直阻塞在select方法上,时间片切换回主线程也无法注册
        // Thread.sleep(1000);

        // 任务队列：将main线程中注册的代码传递给worker线程
        runnables.add(() -> {
            try {
                sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            } catch (ClosedChannelException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        });

        // 唤醒阻塞在select方法上的worker线程
        // 这样时间片切换到worker线程就直接跳过select方法
        selector.wakeup();
    }

    /**
     * 线程任务：实际处理读写操作
     */
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            log.debug("worker run method invoke...");
            try {
                // 阻塞监听SocketChannel的OP_READ
                selector.select();

                // 从任务队列中取出任务执行
                Runnable poll = runnables.poll();
                if (poll != null) {
                    // 执行注册的步骤
                    poll.run();
                }

                Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey scKey = iterator.next();
                    iterator.remove();

                    if (scKey.isReadable()) {
                        SocketChannel sc = (SocketChannel) scKey.channel();
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(30);

                        int read = sc.read(buffer);
                        if (read == -1) {
                            scKey.cancel();
                            break;
                        }

                        buffer.flip();
                        String result = Charset.defaultCharset().decode(buffer).toString();
                        System.out.println("result = " + result);
                    }
                }
            } catch (IOException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}

Boss线程

Boss线程用来监听ServerSocketChannel的ACCEPT事件，监听到了以后将其传递给Worker线程去注册和监听处理，注意线程池只有两个Worker线程，为了保证每一个新进来的SocketChannel都被注册到与前一个线程不同的线程上，这里使用AtomicInteger原子操作类来处理

java 复制代码 
public class ReactorBossServer {

    private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(ReactorBossServer.class);

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        log.debug("boss thread start...");

        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8000));

        Selector selector = Selector.open();
        ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        // 模拟任务池,将任务对象进行创建
        Worker[] workers = new Worker[2];
        for (int i = 0; i < workers.length; i++) {
            // Worker worker = new Worker("worker1");
            workers[i] = new Worker("worker - " + i);
        }

        // 原子操作类
        AtomicInteger index = new AtomicInteger();

        while (true) {
            // 阻塞等待Channel的事件的触发
            selector.select();

            Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey sscSelectionKey = iterator.next();
                iterator.remove();

                // 如果是ACCEPT请求则进行处理,交给worker线程处理
                if (sscSelectionKey.isAcceptable()) {
                    SocketChannel sc = ssc.accept();
                    sc.configureBlocking(false);

                    log.debug("boss invoke worker register...");

                    // hash取模  x%2 = 0|1
                    // 通过原子类确保sc每次进来注册给不同的worker
                    workers[index.getAndIncrement() % workers.length].register(sc);

                    log.debug("boss invoke worker register...");
                }
            }
        }
    }
}

客户端

java 复制代码 
public class MyClient {

    private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(MyClient.class);

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        // 1、创建客户端channel,并连接服务端
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress(8000));
        socketChannel.write(Charset.defaultCharset().encode("hello\n"));
        System.out.println("-------------------------------------");
    }
}

总结

这篇文章的阅读绝对值得你的精心研读。Netty的基础建立在NIO之上，如果单纯的学习Netty，你可能只会看到一堆的API，而无法深入理解其背后的设计原则和工作机制。

然而，本篇文章从设计理念到编码实践，详细剖析了Reactor模型，为Netty的学习铺平了道路。这不仅帮助你理解Netty的运作方式，更能让你洞察其背后的设计哲学，使你在学习时不仅知其然，更能知其所以然。因此，这篇文章对于深化你对Netty的理解，研究其内部工作原理，无疑具有极大的价值

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