Java教程

Reactor 模式与Tomcat中的Reactor

本文主要是介绍Reactor 模式与Tomcat中的Reactor,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!

系列文章目录和关于我

参考:[nio.pdf (oswego.edu)](https://gee.cs.oswego.edu/dl/cpjslides/nio.pdf)

一丶什么是Reactor

The reactor design pattern is an event handling pattern for handling service requests delivered concurrently to a service handler by one or more inputs. The service handler then demultiplexes the incoming requests and dispatches them synchronously to the associated request handlers.


Reactor模式是一种用于处理高并发的设计模式,也被称为事件驱动模式。在这种模式中,应用程序会将输入事件交给一个事件处理器,称为Reactor,Reactor会监听所有输入事件,并将它们分发给相应的处理程序进行处理。这种模式可以大大提高应用程序的性能和可扩展性,因为它使用了非阻塞I/O和异步处理技术,使得一个进程可以同时处理多个事件,而不会因为某个事件的处理时间过长而影响其他事件的处理。Reactor模式被广泛应用于网络编程和操作系统级别的事件驱动程序。

二丶为什么需要Reactor

1.传统BIO

在传统BIO模式中有多少个客户端请求,就需要多少个对于的线程进行一对一的处理。

这种模型有如下缺点:

  • 同步阻塞IO,读写阻塞,大量线程挂起
  • 指定线程数的时候,只能依据系统的cpu核心数,无法根据并发请求数来指定。
  • 大量线程导致上下文切换开销大,线程占用内存大。

2.NIO

Java NIO 带来非阻塞IO,和IO多路复用。

得益于非阻塞IO和IO多路复用,让服务可以处理更多的并发请,不再受限于一个客户端一个线程来处理,而是一个线程可以维护多个客户端。

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可以看到java 中NIO有点reactor的意思:

Selector多路复用器监听IO事件进行分发,针对连接事件,读写事件进行不同的处理。


Reactor核心是Reactor加上对应的处理器Handler,Reactor在一个单独的线程中运行,负责监听和分发事件,将接收到的事件交给不同的Handler来处理,Handler是处理程序执行I/O事件的实际操作。

  • 高并发:Reactor模式可以在同一时间内处理大量的客户端请求,提高了系统的并发处理能力。得益于Java NIO 非阻塞IO 于 IO多路复用
  • 可扩展性:Reactor模式可以很容易地扩展到更多的处理器,以满足更高的并发量。
  • 编码简单:Reactor模式可以使编码更加简单明了,因为它将不同的事件分离开来处理,降低了代码的复杂度。例如Netty就使用了Reactor模式,程序员只需要写如何处理事件
  • 效率高:Reactor模式采用非阻塞I/O和异步处理技术,可以使得一个进程可以同时处理多个事件,而不会因为某个事件的处理时间过长而影响其他事件的处理,从而提高了系统的效率。
  • 可移植性好:Reactor模式可以很方便地移植到不同的平台上,因为它遵循了标准的Java NIO接口,可以在不同的操作系统上实现。

三丶Reactor模型于简单代码实现

1.单Reactor单线程模型

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这个模型诠释了Reactor模式的组成部分:

  • Reactor 负责分离套接字,对于触发connect的io事件交给Acceptor处理,对于IO读写事件交给Handler处理
  • Acceptor负责创建Handler,将Handler和socketChannel进行绑定,当socketChannel读事件触发后,Reactor进行分发给对应Handler处理。
public class Reactor implements Runnable {
    
    //多路复用器
    final Selector selector;
	//服务端Channel
    final ServerSocketChannel serverSocket;

    Reactor(int port) throws IOException {
        selector = Selector.open();
        serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(
                new InetSocketAddress(port));
        serverSocket.configureBlocking(false);
        // 注册io多路复用器连接事件
        SelectionKey sk =
                serverSocket.register(selector,
                        SelectionKey.OP_ACCEPT);
        // 将服务端Channel 关联一个Acceptor
        sk.attach(new Acceptor());
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (!Thread.interrupted()) {
                selector.select();
                Set<SelectionKey> selected = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> it = selected.iterator();
                while (it.hasNext())
                    //分发
                    dispatch(it.next());
                selected.clear();
            }
        } catch (IOException ex) { /* ... */ }
    }

    void dispatch(SelectionKey k) {
        // 拿到关联的acceptor 或者handler
        Runnable r = (Runnable) (k.attachment());
        if (r != null)
            r.run();
    }
	
    //内部类 负责处理连接事件
    class Acceptor implements Runnable {
        public void run() {
            try {
                // 拿到Channel
                SocketChannel c = serverSocket.accept();
                if (c != null)
                    // 创建handler
                    new Handler(selector, c);
            } catch (IOException ex) { /* ... */ }
        }
    }

    final class Handler implements Runnable {
        final SocketChannel socket;
        final SelectionKey sk;
        ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(1024);
        ByteBuffer output = ByteBuffer.allocate(1024);
        static final int READING = 0, SENDING = 1;
        int state = READING;

        //设置非阻塞
        //监听可读事件
        Handler(Selector sel, SocketChannel c)
                throws IOException {
            socket = c;
            c.configureBlocking(false);
            sk = socket.register(sel, 0);
            sk.attach(this);
            sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
            sel.wakeup();
        }

        boolean inputIsComplete() {
            return false;
        }

        boolean outputIsComplete() {
            return false;
        }

        void process() {
        }

        public void run() {
            try {
                //如果可读
                if (state == READING) read();
				//如果可写
                else if (state == SENDING) send();
            } catch (IOException ex) { /* ... */ }
        }

        void read() throws IOException {
            socket.read(input);
            if (inputIsComplete()) {
                process();
                state = SENDING;
                sk.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
            }
        }

        void send() throws IOException {
            socket.write(output);
            if (outputIsComplete()) sk.cancel();
        }
    }
}

可以看到Reactor模式将Channel和Acceptor,Handler进行绑定依赖于SelectionKey#attach方法,通过此方法在不同的事件发生时调用SelectionKey#attachment方法,获取到对应的处理程序进行处理。

Reactor由单线程运行,通过IO多路复用Selector监听多个事件是否就绪,得益于Channel提供的非阻塞IO能力,当IO没有就绪的时候,单线程不会阻塞而是继续处理下一个。

由于其单线程的原因,无法利用计算机多核心资源,并且如果读取请求内容处理的过程存在耗时操作(比如数据库,rpc等)那么回导致下一个事件得不到快速的响应。

2.单Reactor多线程模型

引入多线程解决单线程Reactor的不足

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可以看到多线程模型引入了线程池,对于就绪的可读,可写IO事件交给线程池进行处理。

主要是对单线程模型中的Handler进行改造,将处理逻辑提交到线程池中。

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多线程模型涉及到共享资源的使用,不如读写Channel依赖的Buffer如何分配。

可以看到多线程模型的缺点:线程通信和同步逻辑复杂,需要处理多线程安全问题。

3.多Reactor多线程模型

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在这种模型中,mainReactor负责处理连接建立事件,只需要一个线程即可。subReactor负责和建立连接的socket进行数据交互并处理业务逻辑,并且每一个subReactor可持有一个独立的Selector进行IO多路复用事件监听。

// SubReactor 池子,负责负载均衡的选择SubReactor
public class SubReactorPool {
    final static SubReactor[] subReactors;
    static final AtomicInteger count = new AtomicInteger();
    static {
        int availableProcessors = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
        subReactors = new SubReactor[availableProcessors];
        for (int i = 0; i < subReactors.length; i++) {
            subReactors[i] = new SubReactor();
        }
    }

    static class SubReactor implements Runnable{
        // 业务处理线程池
        final static Executor poolExecutor = Executors.newCachedThreadPool();
		// io多路复用
        Selector selector;
		
        SubReactor()  {
            try {
                selector = Selector.open();
            } catch (IOException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
        public void registry(SocketChannel socketChannel) throws ClosedChannelException {
            socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
        }
        @Override
        public void run() {
            while (true){
                try {
                    selector.select();
                } catch (IOException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()){
                    SelectionKey sk = iterator.next();
                    if (sk.isReadable()) {
                        poolExecutor.execute(()->new Handler(sk));
                    }
                    // 可写,。。。。
                    iterator.remove();
                }

            }
        }

    }
	
    
    //选择合适的SubReactor
    static SubReactor loadBalanceChoose(SocketChannel socketChannel){
        int countInt = count.getAndAdd(1);
        return subReactors[countInt % subReactors.length];
    }
}

多Reactor解决了单个Selector注册连接,读写事件,导致内核轮询的时候需要判断太多fd而效率缓慢的问题。

四丶Tomcat中Reactor

在Tomcat请求处理流程与源码浅析 - Cuzzz - 博客园 (cnblogs.com)中,说到Tomcat Connector的设计

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其中

  • Endpoint:tomcat中没有这个接口,只有AbstractEndpoint,它负责启动线程来监听服务器端口,并且在接受到数据后交给Processor处理
  • Processor:Processor读取到客户端请求后按照请求地址映射到具体的容器进行处理,这个过程请求映射,Processor实现请求映射依赖于Mapper对象,在容器发生注册和注销的时候,MapperListener会监听到对应的事件,从而来变更Mapper中维护的请求映射信息。
  • ProtocolHandler:协议处理器,针对不同的IO方式(NIO,BIO等)和不同的协议(Http,AJP)具备不同的实现,ProtocolHandler包含一个Endpoint来开启端口监听,并且包含一个Processor用于按照协议读取数据并将请求交给容器处理。
  • Acceptor:Acceptor实现了Runnable接口,可以作为一个线程启动,使用Socket API监听指定端口,用于接收用户请求。
  • Poller:主要用于监测注册在原始 scoket 上的事件是否发生,Acceptor接受到请求后,会注册到Poller的队列中。

下图展示了Acceptor 和 Poller的协作

tomcat

1.Acceptor 等待客户端连接

这一步借助ServerSocketChannel#accept方法,进行等待客户端连接,Acceptor单线程进行监听。

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2.Acceptor选择Poller进行注册

这一步设置非阻塞,并且使用计数取模的方式实现多个Poller的负载均衡

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然后将事件保证为PollerEvent 提交到Poller的阻塞队列中

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3.Poller 轮询阻塞队列中的PollerEvent并注册到Selector上

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轮询阻塞队列中的PollerEvent,并且调用run方法,run方法会把事件注册到Poller的Selector上,注意下面的注册将NioSocketWrapper作为attachment进行了绑定

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4.Poller中Selector IO多路复用处理事件,并处理事件

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tomcat处理事件的时候,会创建出SocketProcessor进行处理,SocketProcessor是一个Runnable,最后会提交到线程池。

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