Netty原始碼解析2-Reactor

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一：Netty、NIO、多執行緒？

理清NIO與Netty的關係之前，我們必須先要來看看Reactor模式。Netty是一個典型的多執行緒的Reactor模式的使用，理解了這部分，在巨集觀上理解Netty的NIO及多執行緒部分就不會有什麼困難了。

二：Reactor

1、Reactor的由來

Reactor是一種廣泛應用在伺服器端開發的設計模式。Reactor中文大多譯為“反應堆”，我當初接觸這個概念的時候，就感覺很厲害，是不是它的原理就跟“核反應”差不多？後來才知道其實沒有什麼關係，從Reactor的兄弟“Proactor”（多譯為前攝器）就能看得出來，這兩個詞的中文翻譯其實都不是太好，不夠形象。實際上，Reactor模式又有別名“Dispatcher”或者“Notifier”，我覺得這兩個都更加能表明它的本質。

那麼，Reactor模式究竟是個什麼東西呢？這要從事件驅動的開發方式說起。我們知道，對於應用伺服器，一個主要規律就是，CPU的處理速度是要遠遠快於IO速度的，如果CPU為了IO操作（例如從Socket讀取一段資料）而阻塞顯然是不划算的。好一點的方法是分為多程式或者執行緒去進行處理，但是這樣會帶來一些程式切換的開銷，試想一個程式一個資料讀了500ms，期間程式切換到它3次，但是CPU卻什麼都不能幹，就這麼切換走了，是不是也不划算？

這時先驅們找到了事件驅動，或者叫回撥的方式，來完成這件事情。這種方式就是，應用業務向一箇中間人註冊一個回撥（event handler），當IO就緒後，就這個中間人產生一個事件，並通知此handler進行處理。這種回撥的方式，也體現了“好萊塢原則”（Hollywood principle）-“Don't call us, we'll call you”，在我們熟悉的IoC中也有用到。看來軟體開發真是互通的！

好了，我們現在來看Reactor模式。在前面事件驅動的例子裡有個問題：我們如何知道IO就緒這個事件，誰來充當這個中間人？Reactor模式的答案是：由一個不斷等待和迴圈的單獨程式（執行緒）來做這件事，它接受所有handler的註冊，並負責先作業系統查詢IO是否就緒，在就緒後就呼叫指定handler進行處理，這個角色的名字就叫做Reactor。

2、Reactor與NIO

Java中的NIO可以很好的和Reactor模式結合。關於NIO中的Reactor模式，我想沒有什麼資料能比Doug Lea大神（不知道Doug Lea？看看JDK集合包和併發包的作者吧）在《Scalable IO in Java》解釋的更簡潔和全面了。NIO中Reactor的核心是Selector，我寫了一個簡單的Reactor示例，這裡我貼一個核心的Reactor的迴圈（這種迴圈結構又叫做EventLoop），剩餘程式碼在learning-src目錄下。

	public void run() {
		try {
			while (!Thread.interrupted()) {
				selector.select();
				Set selected = selector.selectedKeys();
				Iterator it = selected.iterator();
				while (it.hasNext())
					dispatch((SelectionKey) (it.next()));
				selected.clear();
			}
		} catch (IOException ex) { /* ... */
		}
	}
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3、與Reactor相關的其他概念

前面提到了Proactor模式，這又是什麼呢？簡單來說，Reactor模式裡，作業系統只負責通知IO就緒，具體的IO操作（例如讀寫）仍然是要在業務程式裡阻塞的去做的，而Proactor模式則更進一步，由作業系統將IO操作執行好（例如讀取，會將資料直接讀到記憶體buffer中），而handler只負責處理自己的邏輯，真正做到了IO與程式處理非同步執行。所以我們一般又說Reactor是同步IO，Proactor是非同步IO。

關於阻塞和非阻塞、非同步和非非同步，以及UNIX底層的機制，大家可以看看這篇文章IO - 同步，非同步，阻塞，非阻塞 （亡羊補牢篇），以及陶輝（《深入理解nginx》的作者）《高效能網路程式設計》的系列。

三：由Reactor出發來理解Netty

1、多執行緒下的Reactor

講了一堆Reactor，我們回到Netty。在《Scalable IO in Java》中講到了一種多執行緒下的Reactor模式。在這個模式裡，mainReactor只有一個，負責響應client的連線請求，並建立連線，它使用一個NIO Selector；subReactor可以有一個或者多個，每個subReactor都會在一個獨立執行緒中執行，並且維護一個獨立的NIO Selector。

這樣的好處很明顯，因為subReactor也會執行一些比較耗時的IO操作，例如訊息的讀寫，使用多個執行緒去執行，則更加有利於發揮CPU的運算能力，減少IO等待時間。

2、Netty中的Reactor與NIO

好了，瞭解了多執行緒下的Reactor模式，我們來看看Netty吧（以下部分主要針對NIO，OIO部分更加簡單一點，不重複介紹了）。Netty裡對應mainReactor的角色叫做“Boss”，而對應subReactor的角色叫做"Worker"。Boss負責分配請求，Worker負責執行，好像也很貼切！以TCP的Server端為例，這兩個對應的實現類分別為NioServerBoss和NioWorker（Server和Client的Worker沒有區別，因為建立連線之後，雙方就是對等的進行傳輸了）。

Netty 3.7中Reactor的EventLoop在AbstractNioSelector.run()中，它實現了Runnable介面。這個類是Netty NIO部分的核心。它的邏輯非常複雜，其中還包括一些對JDK Bug的處理（例如rebuildSelector），剛開始讀的時候不需要深入那麼細節。我精簡了大部分程式碼，保留主幹如下：

abstract class AbstractNioSelector implements NioSelector {

    
    //NIO Selector
    protected volatile Selector selector;

    //內部任務佇列
    private final Queue<Runnable> taskQueue = new ConcurrentLinkedQueue<Runnable>();

    //selector迴圈
    public void run() {
        for (;;) {
            try {
                //處理內部任務佇列
                processTaskQueue();
                //處理selector事件對應邏輯
                process(selector);
            } catch (Throwable t) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // Ignore.
                }
            }
        }
    }

    private void processTaskQueue() {
        for (;;) {
            final Runnable task = taskQueue.poll();
            if (task == null) {
                break;
            }
            task.run();
        }
    }

    protected abstract void process(Selector selector) throws IOException;

}
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其中process是主要的處理事件的邏輯，例如在AbstractNioWorker中，處理邏輯如下：

    protected void process(Selector selector) throws IOException {
        Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
        if (selectedKeys.isEmpty()) {
            return;
        }
        for (Iterator<SelectionKey> i = selectedKeys.iterator(); i.hasNext();) {
            SelectionKey k = i.next();
            i.remove();
            try {
                int readyOps = k.readyOps();
                if ((readyOps & SelectionKey.OP_READ) != 0 || readyOps == 0) {
                    if (!read(k)) {
                        // Connection already closed - no need to handle write.
                        continue;
                    }
                }
                if ((readyOps & SelectionKey.OP_WRITE) != 0) {
                    writeFromSelectorLoop(k);
                }
            } catch (CancelledKeyException e) {
                close(k);
            }

            if (cleanUpCancelledKeys()) {
                break; // break the loop to avoid ConcurrentModificationException
            }
        }
    }
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這不就是第二部分提到的selector經典用法了麼？

在Netty 4.0之後，作者覺得NioSelector這個叫法，以及區分NioBoss和NioWorker的做法稍微繁瑣了點，乾脆就將這些合併成了NioEventLoop，從此這兩個角色就不做區分了。我倒是覺得新版本的會更優雅一點。

3、Netty中的多執行緒

下面我們來看Netty的多執行緒部分。一旦對應的Boss或者Worker啟動，就會分配給它們一個執行緒去一直執行。對應的概念為BossPool和WorkerPool。對於每個NioServerSocketChannel，Boss的Reactor有一個執行緒，而Worker的執行緒數由Worker執行緒池大小決定，但是預設最大不會超過CPU核數*2，當然，這個引數可以通過NioServerSocketChannelFactory建構函式的引數來設定。

    public NioServerSocketChannelFactory(
            Executor bossExecutor, Executor workerExecutor,
            int workerCount) {
        this(bossExecutor, 1, workerExecutor, workerCount);
    }
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最後我們比較關心一個問題，我們之前ChannlePipeline中的ChannleHandler是在哪個執行緒執行的呢？答案是在Worker執行緒裡執行的，並且會阻塞Worker的EventLoop。例如，在NioWorker中，讀取訊息完畢之後，會觸發MessageReceived事件，這會使得Pipeline中的handler都得到執行。

    protected boolean read(SelectionKey k) {
        ....

        if (readBytes > 0) {
            // Fire the event.
            fireMessageReceived(channel, buffer);
        }

        return true;
    }
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可以看到，對於處理事件較長的業務，並不太適合直接放到ChannelHandler中執行。那麼怎麼處理呢？我們在Handler部分會進行介紹。

參考資料：

• Scalable IO in Java gee.cs.oswego.edu/dl/cpjslide…
• Netty5.0架構剖析和原始碼解讀 vdisk.weibo.com/s/C9LV9iVqH…
• Reactor pattern en.wikipedia.org/wiki/Reacto…
• Reactor - An Object Behavioral Pattern for Demultiplexing and Dispatching Handles for Synchronous Events www.cs.wustl.edu/~schmidt/PD…
• 高效能網路程式設計6--reactor反應堆與定時器管理 blog.csdn.net/russell_tao…
• IO - 同步，非同步，阻塞，非阻塞 （亡羊補牢篇）blog.csdn.net/historyasam…

題圖來自：www.worldindustrialreporter.com/france-give…

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