1. Reactor三種線程模型

1.1. 單線程模型

Reactor單線程模型，指的是所有的IO操作都在同一個NIO線程上面完成，NIO線程的職責如下：

1）作為NIO服務端，接收客戶端的TCP連接；2）作為NIO客戶端，向服務端發起TCP連接；3）讀取通信對端的請求或者應答消息；4）向通信對端發送消息請求或者應答消息。

Reactor單線程模型示意圖如下所示：

Reactor單線程模型

由于Reactor模式使用的是異步非阻塞IO，所有的IO操作都不會導致阻塞，理論上一個線程可以獨立處理所有IO相關的操作。從架構層面看，一個NIO線程確實可以完成其承擔的職責。例如，通過Acceptor類接收客戶端的TCP連接請求消息，鏈路建立成功之后，通過Dispatch將對應的ByteBuffer派發到指定的Handler上進行消息解碼。用戶線程可以通過消息編碼通過NIO線程將消息發送給客戶端。

對于一些小容量應用場景，可以使用單線程模型。但是對于高負載、大并發的應用場景卻不合適，主要原因如下：1）一個NIO線程同時處理成百上千的鏈路，性能上無法支撐，即便NIO線程的CPU負荷達到100%，也無法滿足海量消息的編碼、解碼、讀取和發送；2）當NIO線程負載過重之后，處理速度將變慢，這會導致大量客戶端連接超時，超時之后往往會進行重發，這更加重了NIO線程的負載，最終會導致大量消息積壓和處理超時，成為系統的性能瓶頸；3）可靠性問題：一旦NIO線程意外跑飛，或者進入死循環，會導致整個系統通信模塊不可用，不能接收和處理外部消息，造成節點故障。

為了解決這些問題，演進出了Reactor多線程模型，如下。

1.2. 多線程模型

Rector多線程模型與單線程模型最大的區別就是有一組NIO線程處理IO操作，它的原理圖如下：

Rector多線程模型

Reactor多線程模型的特點：

1）有專門一個NIO線程-Acceptor線程用于監聽服務端，接收客戶端的TCP連接請求；2）網絡IO操作-讀、寫等由一個NIO線程池負責，線程池可以采用標準的JDK線程池實現，它包含一個任務隊列和N個可用的線程，由這些NIO線程負責消息的讀取、解碼、編碼和發送；3）1個NIO線程可以同時處理N條鏈路，但是1個鏈路只對應1個NIO線程，防止發生并發操作問題。

在絕大多數場景下，Reactor多線程模型都可以滿足性能需求；但是，在極個別特殊場景中，一個NIO線程負責監聽和處理所有的客戶端連接可能會存在性能問題。例如并發百萬客戶端連接，或者服務端需要對客戶端握手進行安全認證，但是認證本身非常損耗性能。在這類場景下，單獨一個Acceptor線程可能會存在性能不足問題，為了解決性能問題，產生了第三種Reactor線程模型-主從Reactor多線程模型。

1.3. 主從多線程模型

主從Reactor線程模型的特點是：服務端用于接收客戶端連接的不再是個1個單獨的NIO線程，而是一個獨立的NIO線程池。Acceptor接收到客戶端TCP連接請求處理完成后（可能包含接入認證等），將新創建的SocketChannel注冊到IO線程池（sub reactor線程池）的某個IO線程上，由它負責SocketChannel的讀寫和編解碼工作。Acceptor線程池僅僅只用于客戶端的登陸、握手和安全認證，一旦鏈路建立成功，就將鏈路注冊到后端subReactor線程池的IO線程上，由IO線程負責后續的IO操作。

主從多線程模型如下圖所示：

主從多線程模型

利用主從NIO線程模型，可以解決1個服務端監聽線程無法有效處理所有客戶端連接的性能不足問題。

它的工作流程總結如下：

1）從主線程池中隨機選擇一個Reactor線程作為Acceptor線程，用于綁定監聽端口，接收客戶端連接；Acceptor線程接收客戶端連接請求之后創建新的SocketChannel，將其注冊到主線程池的其它Reactor線程上，由其負責接入認證、IP黑白名單過濾、握手等操作；

2）步驟2完成之后，業務層的鏈路正式建立，將SocketChannel從主線程池的Reactor線程的多路復用器上摘除，重新注冊到Sub線程池的線程上，用于處理I/O的讀寫操作。

2. Netty線程模型

2.1. Netty線程模型分類

事實上，Netty的線程模型與1.2章節中介紹的三種Reactor線程模型相似，下面章節我們通過Netty服務端和客戶端的線程處理流程圖來介紹Netty的線程模型。

2.1.1. 服務端線程模型一種比較流行的做法是服務端監聽線程和IO線程分離，類似于Reactor的多線程模型，它的工作原理圖如下：

2.1.2. 客戶端線程模型

相比于服務端，客戶端的線程模型簡單一些，它的工作原理如下：

2.2. Reactor線程NioEventLoop

NioEventLoop是Netty的Reactor線程，它的職責如下：

作為服務端Acceptor線程，負責處理客戶端的請求接入； 作為客戶端Connecor線程，負責注冊監聽連接操作位，用于判斷異步連接結果； 作為IO線程，監聽網絡讀操作位，負責從SocketChannel中讀取報文； 作為IO線程，負責向SocketChannel寫入報文發送給對方，如果發生寫半包，會自動注冊監聽寫事件，用于后續繼續發送半包數據，直到數據全部發送完成； 作為定時任務線程，可以執行定時任務，例如鏈路空閑檢測和發送心跳消息等； 作為線程執行器可以執行普通的任務線程（Runnable）。

2.3. NioEventLoop設計原理

我們知道當系統在運行過程中，如果頻繁的進行線程上下文切換，會帶來額外的性能損耗。多線程并發執行某個業務流程，業務開發者還需要時刻對線程安全保持警惕，哪些數據可能會被并發修改，如何保護？這不僅降低了開發效率，也會帶來額外的性能損耗。

串行執行Handler鏈

為了解決上述問題，Netty采用了串行化設計理念，從消息的讀取、編碼以及后續Handler的執行，始終都由IO線程NioEventLoop負責，這就意外著整個流程不會進行線程上下文的切換，數據也不會面臨被并發修改的風險，對于用戶而言，甚至不需要了解Netty的線程細節，這確實是個非常好的設計理念，它的工作原理圖如下：

一個NioEventLoop聚合了一個多路復用器Selector，因此可以處理成百上千的客戶端連接，Netty的處理策略是每當有一個新的客戶端接入，則從NioEventLoop線程組中順序獲取一個可用的NioEventLoop，當到達數組上限之后，重新返回到0，通過這種方式，可以基本保證各個NioEventLoop的負載均衡。一個客戶端連接只注冊到一個NioEventLoop上，這樣就避免了多個IO線程去并發操作它。

Netty通過串行化設計理念降低了用戶的開發難度，提升了處理性能。利用線程組實現了多個串行化線程水平并行執行，線程之間并沒有交集，這樣既可以充分利用多核提升并行處理能力，同時避免了線程上下文的切換和并發保護帶來的額外性能損耗。

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