线程模型基本介绍
1、 不同的线程模式,对程序的性能有很大影响,为了搞清Netty线程模式,我们来系统的讲解下各个线程模式,最后看看Netty线程模型有什么优越性;
1、 目前存在的线程模型有:传统阻塞I/O服务模型、Reactor模式;
1、 根据Reactor的数量和处理资源池线程的数量不同,有3种典型的实现;
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单Reactor单线程;
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单Reactor多线程;
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主从Reactor多线程;
1、 Netty线程模式(Netty主要基于主从Reactor多线程模型做了一定的改进,其中主从Reactor多线程模型有多个Reactor);
传统阻塞I/O服务模型
工作原理图如下所示。
其中黄色的框表示对象,蓝色的框表示线程,黑色的框表示方法(API)
传统阻塞I/O服务模型
模型特点:
(1)采用阻塞IO模式获取输入的数据;
(2)每个连接都需要独立的线程完成数据的输入,业务处理,数据返回;
问题分析:
(1)当并发数很大,就会创建大量的线程,占用很大系统资源;
(2)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模式
针对传统阻塞I/O服务模型的2个缺点,解决方案:
(1)基于I/O服务模型: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等待,无需阻塞等待所有连接。当某个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;
Reactor对应的叫法:1.反应器模式 2.分发者模式(Dispatcher) 3.通知者模式(notifier)
(2)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。
I/O复用结合线程池,就是Reactor模式基本设计思想,如下图所示。
其中黄色的框表示对象,蓝色的框表示线程,黑色的框表示方法(API)
说明:
(1)Reactor模式,通过一个或多个输入同时传递给服务处理器的模式(基于事件驱动);
(2)服务器端程序处理传入的多个请求,并将它们同步分派到相应的处理线程,因此Reactor模式也叫Dispatcher模式;
(3)Reactor模式使用IO复用监听事件,收到监听事件后,分发给某个线程(进程),这点就是网络服务器高并发处理关键;
Reactor模式中核心组成:
(1)Reactor:Reactor在一个单独的线程中进行,负责监听和分发事件,分发给适当的处理程序对IO事件作出反映。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。
Reactor模式分类:
根据Reactor的数量和处理资源池线程的数量不同,有3种典型的实现:
(1)单Reactor单线程;
(2)单Reactor多线程;
(3)主从Reactor多线程;
单Reactor单线程
工作原理示意图。
单Reactor单线程原理图
方案说明:
(1)Select是前面I/O复用模型介绍的标准网络编程API,可以实现应用程序通过一个阻塞对象监听多路连接请求;
(2)Reactor对象通过Select监听客户端请求事件,收到事件后通过Dispatch进行分发;
(3)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;
(4)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;
(5)Handler会完成Read -> 业务处理 -> Send 的完整业务流程。
**结合实例:**服务器端用一个线程通过多路复用搞定所有的IO操作(包括连接,读、写等),编码简单,清晰明了,但是如果客户端连接数量较多,将无法支撑,前面的NIO案例就属于这种模型。
方案优缺点分析:
(1)**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。
(2)**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。
(3)**缺点:**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,不能接收和处理外部消息,造成节点故障。
(4)**使用场景:**客户端的数量有限,业务处理非常快速,比如Redis在业务处理的时间复杂度O(1)的情况。
单Reactor多线程
工作原理示意图如下所示。
方案说明:
(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,则由Acceptor通过accept处理连接请求,然后创建一个Handler对象处理完成连接后的各种事件;
(3)如果不是连接请求,则由reactor分发调用连接对应的handler来处理;
(4)handler只负责下响应事件,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;
(5)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;
(6)handler收到响应后,通过send将结果返回给client。
方案优缺点分析:
(1)**优点:**可以充分的利用多核cpu的处理能力。
(2)**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。
主从Reactor多线程
工作原理示意图如下所示。
方案说明:
(1)Reactor主线程MainReactor对象通过select监听连接事件,收到事件后,通过Acceptor处理连接事件;
(2)当Acceptor处理连接事件后,MainReactor将连接分配给SubReactor;
(3)SubReactor将连接加入到连接队列进行监听,并创建handler进行各种事件处理;
(4)当有新事件发生时,SubReactor就会调用对应的handler处理;
(5)handler通过read读取数据,分发给后面的worker线程处理;
(6)worker线程池会分配独立的 worker 线程进行业务处理,并返回结果;
(7)handler收到响应的结果后,再通过send方法将结果返回给client;
(8)Reactor主线程可以对应多个Reactor子线程,即MainReactor可以关联多个SubReactor。
方案优缺点说明:
(1)**优点:**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)**优点:**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)**缺点:**编程复杂度较高。
**结合实例:**这种模型在许多项目中广泛使用,包括Nginx主从Reactor多线程模型,Memcached主从多线程,Netty主从多线程模型的支持。
Reactor模式小结
(1)单Reactor单线程,前台接待员和服务员是同一个人,全程为顾客服务。
(2)单Reactor多线程,1个前台接待员,多个服务员,接待员只负责接待。
(3)主从Reactor多线程,多个前台接待员,多个服务生。
Reactor模式具有如下的优点:
(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)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)扩展型好,可以方便的通过增加Reactor实例个数来充分利用CPU资源;
(4)复用性好,Reactor模型本身与具体事件处理逻辑无关,具有很高的复用性。
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