Netty入门指南之Reactor模型

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参考文献

• 孙哥suns说Netty
• Netty官方文档

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

public class MyThread extends Thread{@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 100; i++) {System.out.println("线程任务逻辑" + i);}}
}

public class MyRunnable implements Runnable{@Overridepublic 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

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*/@Overridepublic void run() {while (true) {log.debug("worker run method invoke...");try {// 阻塞监听SocketChannel的OP_READselector.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

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workerworkers[index.getAndIncrement() % workers.length].register(sc);log.debug("boss invoke worker register...");}}}}
}

客户端

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