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Netty Reactor 模型之主从多线程模型

1. 前言

通过上节的分析，我们知道单 Reactor 多线程模型它的性能瓶颈在于单个 Reactor，本节主要讲解如何进行优化单个 Reactor 带来的性能瓶颈问题。

2. 单 Reactor 性能瓶颈

单 Reactor 主要存在的性能瓶颈如下：

  1. 压力问题： 客户端数量比较多的情况，单个 Reactor 负责监听和转发，那么 Reactor 压力非常的大；
  2. 单点故障问题： 如果 Reactor 发生故障，则即使后面的 Handler 和 Worker 正常工作，但是整个应用程序无法正常对外提供服务。

3. 如何进行优化

思考：如何解决单 Reactor 性能问题呢？

  1. 以 Tomcat 作为案例来进行分析：
    1.1 问题： 我们平时把项目打包成 war 部署到单个 Tomcat 来进行运行，在并发量很小的情况下是正常运行的，但是一旦并发量达到 1k 以上，单个 Tomcat 就会很吃力了，那怎么办呢？
    1.2 解决： 很简单，只需要在 Tomcat 前面加 Nginx 做负载转发，这样的话，多个 Tomcat 同时对外提供服务，不但整体的性能得到提高，即使其中一个 Tomcat 宕机，但是整个 Tomcat 集群还是能正常对外提供服务。
  2. 生活中饭馆的案例进行说明：
    还是以饭馆经营模型说明，方便大家更好的理解。
    2.1 一个饭馆只有一个老板，老板即兼职服务员和厨师的工作，整体效率很低，这就是单 Reactor 单线程模型；
    2.2 一个负责迎接客户、点菜、上菜的服务员（Reactor 线程），几个厨师负责炒菜（Worker 线程），厨师轻松了，但是服务员依然忙不过来，这就是单 Reactor 多线程模型；
    2.3 一个负责迎接在门口迎接小妹妹（好比：Reactor 主线程），几个专门负责点菜和上菜的服务员（好比：Reactor 从线程），几个负责超出厨师（Worker 线程），那么每个岗位都会很轻松，并且还能服务更多的客户进行就餐，这就是主从 Reactor 多线程模型。

其实，Reactor 模型也是类似道理，哪个环节性能存在瓶颈，那么将其功能再细分，并且增加执行数量（集群）即可。

4. 主从多线程模型

图片描述

架构图分析：

  1. 主要分为三个模块，分别为 Reactor 主线程、Reactor 子线程、Worker 线程池。其中 Reactor 主线程可以对应多个 Reactor 子线程，也就是说，一个 MainReactor 对应多个 SubReactor；
  2. Reactor 主线程的 MainReactor 对象通过 select 监听客户端连接事件，收到事件之后，通过 Acceptor 处理连接事件；
  3. 当 Acceptor 处理连接事件之后，MainReactor 将连接事件分配给 Reactor 子线程的 SubReactor 进行处理；
  4. SubReactor 将连接加入到连接队列进行监听，并且创建 Handler 处理对应的事件。一旦有新的事件（非连接）则分配给 Handler 进行处理；
  5. Handler 通过 read () 方法读取数据，并且分发给 Worker 线程池去做业务处理；
  6. Worker 线程池分配线程去处理业务，处理完成之后把结果返回给 Handler；
  7. Handler 收到 Worker 线程返回的结果之后，再通过 send () 方法返回给客户端。

方案的优点：

  1. 责任明确，单一功能拆分的更细，Reactor 主线程负责接收请求，不负责处理请求；Reactor 子线程负责处理请求。并发量很高的情况，可以减轻单个 Reactor 的压力，并且提高处理速度；
  2. Reactor 子线程只负责读取数据和响应数据，耗时的业务处理则丢给 Worker 线程池去处理。这种通过把完整任务层层分发下去，每个组件需要处理的内容就会变的很简单，处理起来效率自然会很高。

方案的缺点：

  1. 编程复杂度非常的高；
  2. 即使一个 Reactor 主线程对应多个 Reactor 子线程，Reactor 主线程还是会存在单节点故障问题，不过真实业务场景当中，如果考虑单节点故障问题的话，一般都是通过分布式集群（Netty 集群）的方式去解决，而不是靠单节点的线程模型去解决，这里大家了解一下即可。

总的来说，主从多线程模型是应用比较多的一种线程模型，包括 Nginx 主从 Reactor 多线程模型、Memcached 主从多线程模型、Netty 主从多线程模型等知名开源框架的。

5. 模型对比

Reactor 模型和传统的 IO 模型对比

传统 IO 模型 Reactor 模型
线程分配 为每个客户端都分配独立的线程，该线程负责全部的工作（包括：监听、读取、处理、响应） 统一的监听客户端请求，并且把功能细分，并且分配给不同的子线程去处理
堵塞点 在每个子线程的 read () 方法进行堵塞 只在 select () 堵塞，select () 是所有客户端共用的入口点
整体性能 并发量相对有限 可以处理高并发

Reactor 的整体优点如下：

  1. 性能好，Reactor 本身虽然是同步的，但是是非堵塞的，可以快速的响应；
  2. 扩展性好，可以根据 CPU 的核数来调整 Reactor 的实例个数，充分的利用 CPU 资源；
  3. 复用性好，它是一种思想，可以灵活的运用到不同的中间件、底层框架上。

三种 Reactor 线程模型对比

单 Reactor 单线程 单 Reactor 多线程 主从多线程
功能 一个线程负责所有业务 一个线程服务监听、事件处理、转发，多个线程负责逻辑处理 一个线程负责监听，多个线程负责事件处理、转发，多个线程负责逻辑处理
线程 一个线程 一个线程，一个线程组 一个线程，两个线程组
性能 低 中 高
高可用 否 否 是

6. 小结

通过这几个小节的讲解，相信大家对 Reactor 线程模型都已经有了一定的了解了，其实我们只需要了解这几种模型的架构思想即可。Reactor 它是一种思想，而并非是 Netty 所特有的，常见的中间件 Nginx、Redis 等底层通讯也都是基于 Reactor 思想去实现。只有把 Reactor 模型理解了，后期在阅读源码时才能更好的理解 Netty。