一.前言

眾所周知，netty是高性能的原因源於其使用的是NIO，但是這只是其中一方面原因，其IO模型上決定的。另一方面源於其線程模型的設計，良好的線程模型設計，能夠減少線程上下文切換，減少甚至避免鎖的競爭（無鎖化設計）帶來的開銷。

本篇文章將介紹netty的線程模型設計，主要從以下幾個方面：

• Reactor模式
• Scalable IO in Java
• Netty中的線程模型

二.Reactor模式

Reactor模式是一種軟件程序設計模式，它由Jim Coplien和Douglas C. Schmidt在1995年發布，主要用於處理一個或者多個客戶端發起請求。

從一個客戶端連接到日誌服務器，然後發送請求的兩個流程來看Reactor模式。其中有三種組件：

• Dispacther：分發客戶端的請求事件
• Acceptor：接受客戶端連接事件
• Handler：處理客戶端發起的請求事件

1.客戶端連接到日誌服務器

1. 日誌服務端註冊Acceptor至Dispatcher
2. 日誌服務端調用分發器內部的handle_events方法
3. 分發器開始在多路監聽器（一般為OS的select、epoll）上等待客戶端請求
4. 客戶端連接至日誌服務器
5. 分發器通知Acceptor連接事件
6. Accetor接受一個新的連接

2.客戶端發送記錄日誌的請求

1. 客戶端使用上部分建立的連接發送記錄日誌的請求
2. 客戶端分發器將記錄日誌的時間通知給Handler
3. Handler處理讀請求然後內部在傳遞給下個Handler繼續處理
4. 最終Handler進行寫響應
5. 返回到分發器，分發器繼續事件循環等待處理下個事件

以上的幾種組件的作用和處理連接和請求事件的模式就是Reactor模式。

三.Scalable IO in Java

以上的Reactor模式只是簡單的設計模型，對於每種程序語言設計而言，仍然需要做一些改變。基於Java的NIO如何使用該模式構建高性能可伸縮的服務，並發大神Doug Lea在他的網站上發布過一篇論文《Scalable IO in Java》。

這篇論文中主要談及的話題是如何構建高性能可擴展的IO，其中就是基於Reactor模式進行了演進。

其中涉及到以下組件：

• Reactor: 響應IO事件，分發至相應的Handlers
• Handlers: 執行非阻塞的IO操作，

1.單線程Reactor模式

1. 其中客戶端發送請求至服務端，Reactor響應其IO事件。
2. 如果是建立連接的請求，則將其分發至acceptor，由其接受連接，然後再將其註冊至分發器。
3. 如果是讀請求，則分發至Handler，由其讀出請求內容，然後對內容解碼，然後處理計算，再對響應編碼，最後發送響應

在整個過程中都是使用單線程，無論是Reactor線程和後續的Handler處理都只使用一個線程。

但是單線程無疑會降低性能，所以需要增加線程提供擴展。

2. 多線程Reactor模式

為了能夠提高擴展性，需要在單線程的模型上增加線程，主要從兩個方面利用多線程發揮多核的應用優勢：

1. Worker Threads，Reactor應該能夠快速的觸發事件，防止Handler處理的延遲Reactor的響應導致事件積累，最終導致客戶端連接請求的積壓，甚至服務端的句柄數耗盡，服務停止響應。所以在Handlers的處理中使用工作多線程
2. Multiple Reactor Threads，使用多個Reactor線程用於響應客戶端發起的事件，可以使用多個Reactor分擔負載

以上多線程的Reactor處理模式中，Reactor線程仍然是單線程，負責acceptor和IO read/send。但是對於請求的解碼以及業務處理和響應的編碼都是有work thread pool負責。

3.多Reactor模式

上述的多線程模式解決了Handler降低Reactor的響應，同時也提升了Handler的處理效率。但是Reactor仍然是單線程，對於大量的網絡事件，其仍然有負載壓力。為了能夠使用多線程分擔壓力，演進出多Reactor：

其中主Reactor響應用戶的連接事件，然後分發給acceptor，由其創建新的子Reactor。多個子Reactor分別處理各自的IO事件，比如read/write，然後再將其交給work thread pool進行解碼，業務處理，編碼。

多Reactor的設計通過將TCP連接建立和IO read/write事件分離至不同的Reactor，從而分擔單個Reactor的壓力，提升其響應能力。

四.Netty中的線程模型

在認識了Reactor設計模式和基於Reactor構建高性能可擴展的IO後，再來看netty的線程模型就顯得簡單的多了。

netty的線程模型設計正是Reactor模式的變種。以上的三種Reactor模式，在netty中都能非常好的得到了支持。在netty中主要通過參數配置來切換以上的各種模式。

netty中有EventLoopGroup和EventLoop兩個類，它們是實現Reactor的關鍵之所在。EventLoop正如其名，其中包包含一個Selector選擇器和一段循環邏輯。通過不斷循環獲取Selector上的就緒事件然後進行處理。EventLoopGroup是包含一組EventLoop的組，通過其可以產生一個EventLoop。

在閱讀了netty官網給出的Demo後，可以知道，在創建一個Server時都會創建兩個EventLoopGroup，分別為boss和work。前者用戶Main Reactor，後者用於Sub Reactor和WorkThreadPool。

每次Main Reactor通過Selector得到客戶端建立連接的請求後，就從work EventLoopGroup中獲取一個EventLoop，然後將建立的連接對應的Socket抽象SocketChannel綁定到EventLoop上，形成了新的Sub Reactor。

在了解了netty的線程模型後，下面首先看下各種模式下的netty的參數配置。

1.單線程Reactor配置

通過構造一個EventLoop，將其用作Reactor和WorkThread，即是單線程模式。

EventLoopGroup eventLoopGroup = new NioEventLoopGroup();
EventLoop bossLoop = eventLoopGroup.next();
EventLoop workLoop = reactorLoop;
ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.group(reactorLoop, workLoop);

boss和work使用同一個EventLoop，可以實現單線程Reactor。

2.多線程Reactor配置

Reactor使用單線程，然後Work使用多線程，即是多線程模型。

EventLoopGroup eventLoopGroup = new NioEventLoopGroup();
EventLoop bossLoop = eventLoopGroup.next();
EventLoopGroup workLoopGroup = new NioEventLoopGroup();
ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.group(reactorLoop, workLoopGroup);

3.多Reactor模式

以上的多線程Reactor模式，便是多Reactor模式。bossLoop是主Reactor，其通過事件循環創建TCP連接，然後將連接的SocketChannel抽象綁定到workLoopGroup中的EventLoop上，形成Sub Reactor。

只是Main Reactor是單線程進行事件循環。雖然也可以構造多線程，但是沒有什麽實際意義。因為netty中在綁定端口時只會使用Group中的一個EventLoop綁定到Selector上，即是使用了EventLoopGroup。

當然對於同個應用如果監聽多個端口，使用多個ServerBootStrap共享一個boss，那樣Main Reactor也是多線程模式，才有意義。

參考

Scalable IO in Java
Reactor Pattern

Netty — 線程模型