基于NIO的三种Reactor模式

传统的bio堵塞类型io传输由于每一次进行数据传输的时候都需要等待排队，因此效率低下，后期随着jdk的一步步发展，nio非堵塞技术开始变多越来越加广泛。

什么是Reactor

Reactor可以理解为反应器模式。当一个主体发生改变时，所有依属体都得到通知。不过，观察者模式与单个事件源关联，而反应器模式则与多个事件源关联。

NIO 有一个主要的类Selector，这个类似一个观察者，只要我们把需要探知的SocketChannel告诉Selector，我们接着做别的事情，当有事件发生时，他会通知我们，传回一组SelectionKey，我们读取这些Key，就会获得我们刚刚注册过的SocketChannel，然后，我们从这个Channel中读取数据，接着我们可以处理这些数据。

单线程的Reactor模式

Reactor里面的单线程模式的结构图：

当有多个请求发送到server的时候，会经过反应器对其进行处理，相应的代码如下所示：


import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

/**
 * @author idea
 * @data 2019/4/11
 */
@Slf4j
public class NioServer {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            Selector selector = Selector.open();
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9090));
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            System.out.println("server is open!");
            while (true) {
                if (selector.select() > 0) {
                    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
                    Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();
                    while (iterator.hasNext()) {

                        SelectionKey selectionKey = iterator.next();
                        if (selectionKey.isReadable()) {
                            SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                            int len = 0;
                            //当管道的数据都读取完毕了
                            while ((len = (socketChannel.read(byteBuffer))) > 0) {
                                byteBuffer.flip();
                                System.out.println(new String(byteBuffer.array(), 0, len));
                                byteBuffer.clear();
                            }
                        } else if (selectionKey.isAcceptable()) {
                            //第一次链接到server，需要构建一个通道
                            ServerSocketChannel acceptServerSocketChannel = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
                            //开通通道
                            SocketChannel socketChannel = acceptServerSocketChannel.accept();
                            //设置为非堵塞
                            socketChannel.configureBlocking(false);
                            //注册可读的监听事件
                            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                            System.out.println("[server]接收到新的链接");
                        }
                        iterator.remove();
                    }
                }

            }
        } catch (IOException e) {
            log.error("[server]异常出现，信息为{}", e);
        }

    }
}

单线程模式的Reactor有一个很明显的缺点，那就是在处理请求的时候，对于不同状态的通道处理，以及请求的监听全部都放在了单个线程上进行，（多个Channel可以注册到同一个Selector对象上，实现了一个线程同时监控多个请求状态（Channel））因此效率很低下。因此就会有了第二种Reactor模式。

多线程的Reactor模式

在原先的单线程模式中，一个线程同时处理多个请求，但是所有的读写请求以及对于数据的处理都在同一线程中，无法充分利用多cpu的优势，因此诞生了这种多线程的Reactor模式。

多线程的Reactor模式基本结构图如下所示：

代码如下所示：



import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

/**
 * @author idea
 * @data 2019/4/11
 */
@Slf4j
public class Server {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            Selector selector = Selector.open();
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9090));
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            System.out.println("[server]开始启动服务器");
            while (true) {
                if (selector.selectNow() < 0) {
                    continue;
                }
                Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {

                    SelectionKey selectionKey = iterator.next();
                    if (selectionKey.isReadable()) {
                        Processor processor = (Processor) selectionKey.attachment();
                        processor.process(selectionKey);
                    } else if (selectionKey.isAcceptable()) {
                        ServerSocketChannel acceptServerSocketChannel = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
                        SocketChannel socketChannel = acceptServerSocketChannel.accept();
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        SelectionKey key = socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

                        //绑定处理器线程
                        key.attach(new Processor());
                        System.out.println("[server]接收到新的链接");

                    }
                    iterator.remove();
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            log.error("[server]异常出现，信息为{}", e);
        }

    }
}

从代码可以看到，每次当系相应的channel注册完相应的OP_READ事件后，可以对相应的SelectionKey attach一个对象（本例中attach了一个Processor对象，该对象处理读请求），并且在获取到可读事件后，可以取出该对象。

再看到相应的Processor对象代码


import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 处理器
 *
 * @author idea
 * @data 2019/4/11
 */
public class Processor {

    private static final ExecutorService service = new ThreadPoolExecutor(16, 16,
            0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
            new LinkedBlockingQueue<Runnable>());

    public void process(SelectionKey selectionKey) {
        service.submit(() -> {
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
            int count = socketChannel.read(buffer);
            if (count < 0) {
                socketChannel.close();
                selectionKey.cancel();
                System.out.println("读取结束！");
                return null;
            } else if (count == 0) {
                return null;
            }
            System.out.println("读取内容：" + new String(buffer.array()));
            return null;
        });
    }


}

需要开启一个线程池来进行数据处理的任务。这里面就将数据处理的压力分担给了线程池来执行，充分利用了多线程的优势，将新线程的连接和数据的io操作分别放在了不同的线程中进行运行。

在上述的多线程Reactor模式中，有专门的nio-acceptor线程来用于监听服务器，接收客户端的tcp连接。然后又有专门的线程池来处理消息的读取，发送，编码解码等工作。一个nio同时处理N条链路，每个链路只对应一个NIO线程。（防止了并发操作的发生）。看似这样的安排很美好，也确实能解决大多数应用场景的问题。

但是在极端情况下仍然会有弊端，单独的NIO线程负责监听和处理所有的客户端连接可能会存在性能问题。例如并发百万客户端连接，或者服务端需要对客户端握手进行安全认证，但是认证本身非常损耗性能。在这类场景下，单独一个Acceptor线程可能会存在性能不足问题，为了解决性能问题，产生了第三种Reactor线程模型-主从Reactor多线程模型。

主从Reactor多线程模式

主从Reactor线程模型的特点是：服务端用于接收客户端连接的不再是个1个单独的NIO线程，而是一个独立的NIO线程池。Acceptor接收到客户端TCP连接请求处理完成后（可能包含接入认证等），将新创建的SocketChannel注册到IO线程池（subreactor线程池）的某个IO线程上，由它负责SocketChannel的读写和编解码工作。Acceptor线程池仅仅只用于客户端的登陆、握手和安全认证，一旦链路建立成功，就将链路注册到后端SubReactor线程池的IO线程上，由IO线程负责后续的IO操作。

.相应代码：


import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

/**
 * @author idea
 * @data 2019/4/11
 */
public class Server {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Selector selector = Selector.open();
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(1234));
        //初始化通道，标志为accept类型
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        int coreNum = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
        Processor[] processors = new Processor[coreNum];
        for (int i = 0; i < processors.length; i++) {
            processors[i] = new Processor();
        }

        int index = 0;
        //一直处于堵塞的状态
        while (selector.select() > 0) {
            //获取到selectionkey的集合
            Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                if (key.isAcceptable()) {
                    ServerSocketChannel acceptServerSocketChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    SocketChannel socketChannel = acceptServerSocketChannel.accept();
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    System.out.println("Accept request from {}" + socketChannel.getRemoteAddress());
                    Processor processor = processors[(int) ((index++) / coreNum)];
                    processor.addChannel(socketChannel);
                }
                iterator.remove();
            }
        }
    }
}

处理器部分的代码：


import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ClosedChannelException;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.channels.spi.SelectorProvider;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

@Slf4j
public class Processor {

    private static final ExecutorService service =
            Executors.newFixedThreadPool(2 * Runtime.getRuntime().availableProcessors());

    private Selector selector;

    public Processor() throws IOException {
        this.selector = SelectorProvider.provider().openSelector();
        start();
    }

    public void addChannel(SocketChannel socketChannel) throws ClosedChannelException {
        socketChannel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
    }

    public void start() {
        service.submit(() -> {
            while (true) {
                if (selector.selectNow() <= 0) {
                    continue;
                }
                Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    iterator.remove();
                    if (key.isReadable()) {
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                        int count = socketChannel.read(buffer);
                        if (count < 0) {
                            socketChannel.close();
                            key.cancel();
                            System.out.println("读取结束" + socketChannel);
                            continue;
                        } else if (count == 0) {
                            System.out.println("客户端信息大小：" + socketChannel);
                            continue;
                        } else {
                            System.out.println("客户端信息：" + new String(buffer.array()));
                        }
                    }
                }
            }
        });
    }
}

通常在互联网公司中，对于一些高并发的应用场景里面都会使用到了Reactor模式，其代替了常用的多线程处理方式，节省系统的资源，提高系统的吞吐量。类似于一些netty框架的核心原理其实就是通过nio的Reactor模式来进行设计和开发。

原文链接：https://blog.csdn.net/Danny_idea/article/details/89286195