线程模型简介

线程模型简介

原声NIO存在的问题

• NIO的类库和API繁杂, 使用麻烦: 需要熟练账号 Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer等
• 需要具备其他的额外技能: 要熟练Java多线程编程、因为NIO编程涉及到Reactor模式, 你必须对多线程和网络编程非常熟悉, 才能编写出高质量的NIO程序.
• 开发工作量和难度都非常大 : 例如客户端面临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常流的处理等等
• JDK NIO 的bug : Epoll Bug, 它会导致Selector空轮询, 最终导致CPU 100%

原因: 在NIO中通过Selector的轮询当前是否有IO事件，根据JDK NIO api描述，Selector的select方法会一直阻塞，直到IO事件达到或超时，但是在Linux平台上这里有时会出现问题，在某些场景下select方法会直接返回，即使没有超时并且也没有IO事件到达，这就是著名的epoll bug，这是一个比较严重的bug，它会导致线程陷入死循环，会让CPU飙到100%，极大地影响系统的可靠性，到目前为止，JDK都没有完全解决这个问题。

线程模型

• 传统阻塞I/O服务模型

• Reactor模型

• 单Reactor 单线程

• 单Reactor 多线程

• 主从 Reactor 多线程

传统阻塞I/O服务模型

采用阻塞 IO 模式获取输入的数据, 每个连接都需要独立的线程完成数据的输入 , 业务处理和数据返回工作.

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• 存在问题:

• 当并发数较大时, 就会创建大量的线程, 占用很大系统资源

• 连接创建后, 如果当前线程暂时没有数据可读, 该线程会阻塞在read操作, 造成线程资源浪费

Reactor模型

Reactor模式使用IO复用监听事件, 收到事件后, 分发给某个线程(进程), 这点就是网络服务器搞并发处理关键

Reactor模型-单Reactor 单线程

• Selector是可以实现应用程序通过一个阻塞对象监听多路连接请求
• Reactor对象通过Selector监控客户端请求事件, 收到事件后通过DIspatch进行分发
• 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
• Handler会完成Read->业务处理->Send的完整业务流程

优点

• 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

缺点

• 性能问题 : 只有一个线程, 无法完全发挥多核CPU的性能. 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
• 可靠性问题 : 线程意外终止或者进入死循环, 会导致整个系统通信模块不可用, 不能接受和处理外部消息, 造成节点故障.

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Reactor模型-单Reactor 多线程

• Reactor 对象通过 selector 监控客户端请求事件, 收到事件后，通过 dispatch 进行分发
• 如果建立连接请求, 则右 Acceptor 通过accept 处理连接请求
• 如果不是连接请求，则由 reactor 分发调用连接对应的 handler 来处理
• handler 只负责响应事件，不做具体的业务处理, 通过 read 读取数据后，会分发给后面的 worker 线程池的某个线程处理业务
• worker 线程池会分配独立线程完成真正的业务，并将结果返回给 handler
• handler 收到响应后，通过 send 将结果返回给 client

优点

• 可以充分利用多核CPU的处理能力

缺点

• 多线程数据共享和访问比较复杂, reactor处理所有的事件的监听和响应, 在单线程运行, 在高并发场景容易出现性能瓶颈

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Reactor模型- 主从Reactor 多线程

• Reactor 主线程 MainReactor 对象通过 select 监听客户端连接事件，收到事件后，通过 Acceptor 处理客户端连接事件
• 当 Acceptor 处理完客户端连接事件之后(与客户端建立好 Socket 连接)，MainReactor 将 连接分配给 SubReactor。(即:MainReactor 只负责监听客户端连接请求，和客户端建立连 接之后将连接交由 SubReactor 监听后面的 IO 事件。)
• SubReactor 将连接加入到自己的连接队列进行监听，并创建 Handler 对各种事件进行处理 当连接上有新事件发生的时候，SubReactor 就会调用对应的 Handler 处理
• Handler 通过 read 从连接上读取请求数据，将请求数据分发给 Worker 线程池进行业务处理 Worker 线程池会分配独立线程来完成真正的业务处理，并将处理结果返回给 Handler。 Handler 通过 send 向客户端发送响应数据
• 一个 MainReactor 可以对应多个 SubReactor，即一个 MainReactor 线程可以对应多个 SubReactor 线程

优点

• MainReactor线程与SubReactor线程的数据交互简单职责明确, MainReactor线程只需要接受新连接, SubReactor线程完成后续的业务处理
• MainReactor 线程与SubReactor线程的数据交互简单, MainReactor线程只需要把新连接传给SubReactor线程, SubReactor线程无需返回数据
• 多个SubReactor线程能够应对更高的并发请求

缺点

• 这种模式的缺点是编程复杂度较高, 但是由于优点明显, 在许多项目中被广泛使用, 包括Nginx、Memcached、Netty等, 这种模式也叫做服务器的1+M+N线程模式, 即使用该模式开发的服务器包含一个(或多个, 1只是表示相对较少)连接建立线程+M个IO线程+N个业务处理线程, 这是业界成熟的服务器程序设计模式.