Reactor模式详解及 三种模式演变

无论是C++还是Java编写的网络框架，大多数都是基于Reactor模式进行设计和开发，Reactor模式基于事件驱动，特别适合处理海量的I/O事件。

什么是Reactor模式

要回答这个问题，首先当然是求助Google或Wikipedia，其中Wikipedia上说：“The reactor design pattern is an event handling pattern for handling service requests delivered concurrently by one or more inputs. The service handler then demultiplexes the incoming requests and dispatches them synchronously to associated request handlers.”。从该描述中知道: Reactor模式首先是 事件驱动的，有一个或多个并发输入源，有一个Service Handler，有多个Request Handlers ；这个Service Handler会同步的将输入的请求（Event）多路复用的分发给相应的Request Handler。

简要概括：将消息放到了一个队列中，通过异步线程池对其进行消费。

如果用图来表达：

从结构上，这有点类似生产者消费者模式，即有一个或多个生产者将事件放入一个Queue中，而一个或多个消费者主动的从这个Queue中Poll事件来处理；而Reactor模式则并没有Queue来做缓冲，每当一个Event输入到Service Handler之后，该Service Handler会主动的根据不同的Event类型将其分发给对应的Request Handler来处理。

更学术的，这篇文章（ Reactor An Object Behavioral Pattern for Demultiplexing and Dispatching Handles for Synchronous Events ）上说：“The Reactor design pattern handles service requests that are delivered concurrently to an application by one or more clients. Each service in an application may consistent of several methods and is represented by a separate event handler that is responsible for dispatching service-specific requests. Dispatching of event handlers is performed by an initiation dispatcher, which manages the registered event handlers. Demultiplexing of service requests is performed by a synchronous event demultiplexer. Also known as  Dispatcher, Notifier ”。这段描述和Wikipedia上的描述类似，有多个输入源，有多个不同的EventHandler（RequestHandler）来处理不同的请求，Initiation Dispatcher用于管理EventHander，EventHandler首先要注册到Initiation Dispatcher中，然后Initiation Dispatcher根据输入的Event分发给注册的EventHandler；然而Initiation Dispatcher并不监听Event的到来，这个工作交给Synchronous Event Demultiplexer来处理。

EventHandler接口定义

对EventHandler的定义有两种设计思路：single-method设计和multi-method设计：
A single-method interface： 它将Event封装成一个Event Object，EventHandler只定义一个handle_event(Event event)方法。这种设计的好处是有利于扩展，可以后来方便的添加新的Event类型，然而在子类的实现中，需要判断不同的Event类型而再次扩展成 不同的处理方法，从这个角度上来说，它又不利于扩展。另外在Netty3的使用过程中，由于它不停的创建ChannelEvent类，因而会引起GC的不稳定。

A multi-method interface：这种设计是将不同的Event类型在 EventHandler中定义相应的方法。这种设计就是Netty4中使用的策略，其中一个目的是避免ChannelEvent创建引起的GC不稳定， 另外一个好处是它可以避免在EventHandler实现时判断不同的Event类型而有不同的实现，然而这种设计会给扩展新的Event类型时带来非常 大的麻烦，因为它需要该接口。

Reactor模式的缺点

Reactor模式在IO读写数据时还是在同一个线程中实现的，即使使用多个Reactor机制的情况下，那些共享一个Reactor的Channel如果出现一个长时间的数据读写，会影响这个Reactor中其他Channel的相应时间，比如在大文件传输时，IO操作就会影响其他Client的相应时间，因而对这种操作，使用传统的Thread-Per-Connection或许是一个更好的选择，或则此时使用Proactor模式。

Reactor中的组件

• Reactor:Reactor是IO事件的派发者。
• Acceptor:Acceptor接受client连接，建立对应client的Handler，并向Reactor注册此Handler。
• Handler:和一个client通讯的实体，按这样的过程实现业务的处理。一般在基本的Handler基础上还会有更进一步的层次划分， 用来抽象诸如decode，process和encoder这些过程。比如对Web Server而言，decode通常是HTTP请求的解析， process的过程会进一步涉及到Listener和Servlet的调用。业务逻辑的处理在Reactor模式里被分散的IO事件所打破， 所以Handler需要有适当的机制在所需的信息还不全（读到一半）的时候保存上下文，并在下一次IO事件到来的时候（另一半可读了）能继续中断的处理。为了简化设计，Handler通常被设计成状态机，按GoF的state pattern来实现。

对应上面的NIO代码来看:

• Reactor：相当于有分发功能的Selector
• Acceptor：NIO中建立连接的那个判断分支
• Handler：消息读写处理等操作类

Reactor从线程池和Reactor的选择上可以细分为如下几种：

Reactor单线程模型

Reactor单线程模型，指的是所有的IO操作都在同一个NIO线程上面完成，NIO线程的职责如下：
1）作为NIO服务端，接收客户端的TCP连接；
2）作为NIO客户端，向服务端发起TCP连接；
3）读取通信对端的请求或者应答消息；
4）向通信对端发送消息请求或者应答消息。
Reactor单线程模型示意图如下所示：

这个模型只是将消息相关处理独立到了Handler中去。

由于Reactor模式使用的是异步非阻塞IO，所有的IO操作都不会导致阻塞，理论上一个线程可以独立处理所有IO相关的操作。从架构层面看，一个NIO线程确实可以完成其承担的职责。例如，通过Acceptor类接收客户端的TCP连接请求消息，链路建立成功之后，通过Dispatch将对应的ByteBuffer派发到指定的Handler上进行消息解码。用户线程可以通过消息编码通过NIO线程将消息发送给客户端。

对于一些小容量应用场景，可以使用单线程模型。但是对于高负载、大并发的应用场景却不合适，主要原因如下：
1）一个NIO线程同时处理成百上千的链路，性能上无法支撑，即便NIO线程的CPU负荷达到100%，也无法满足海量消息的编码、解码、读取和发送；
2）当NIO线程负载过重之后，处理速度将变慢，这会导致大量客户端连接超时，超时之后往往会进行重发，这更加重了NIO线程的负载，最终会导致大量消息积压和处理超时，成为系统的性能瓶颈；
3）可靠性问题：一旦NIO线程意外跑飞，或者进入死循环，会导致整个系统通信模块不可用，不能接收和处理外部消息，造成节点故障。
为了解决这些问题，演进出了Reactor多线程模型，下面我们一起学习下Reactor多线程模型

Reactor多线程模型

Rector多线程模型与单线程模型最大的区别就是有一组NIO线程处理IO操作，

Reactor多线程模型就是将Handler中的IO操作和非IO操作分开，操作IO的线程称为IO线程，非IO操作的线程称为工作线程，这样的话，客户端的请求会直接被丢到线程池中，客户端发送请求就不会堵塞。

Reactor多线程模型的特点：
1）有专门一个NIO线程-Acceptor线程用于监听服务端，接收客户端的TCP连接请求；
2）网络IO操作-读、写等由一个NIO线程池负责，线程池可以采用标准的JDK线程池实现，它包含一个任务队列和N个可用的线程，由这些NIO线程负责消息的读取、解码、编码和发送；
3）1个NIO线程可以同时处理N条链路，但是1个链路只对应1个NIO线程，防止发生并发操作问题。
在绝大多数场景下，Reactor多线程模型都可以满足性能需求；但是，当用户进一步增加的时候，一个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模型

主Reactor用于响应连接请求，从Reactor用于处理IO操作请求！

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（sub reactor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。

利用主从NIO线程模型，可以解决1个服务端监听线程无法有效处理所有客户端连接的性能不足问题。

它的工作流程总结如下：

1. 从主线程池中随机选择一个Reactor线程作为Acceptor线程，用于绑定监听端口，接收客户端连接；
2. Acceptor线程接收客户端连接请求之后创建新的SocketChannel，将其注册到主线程池的其它Reactor线程上，由其负责接入认证、IP黑白名单过滤、握手等操作；
3. 步骤2完成之后，业务层的链路正式建立，将SocketChannel从主线程池的Reactor线程的多路复用器上摘除，重新注册到Sub线程池的线程上，用于处理I/O的读写操作

Refer to :

http://www.blogjava.net/DLevin/archive/2015/09/02/427045.html

http://www.jianshu.com/p/2461535c38f3

http://www.infoq.com/cn/articles/netty-threading-model/