Reactor线程模型详解

2023-12-14 05:01:48


在目前的线程模型中一种是传统阻塞的I/O模型,一种是Reactor线程模型。

传统的阻塞式 I/O

为了同时处理多个客户端的请求,服务端为每一个连接都会分配一个新的线程处理。这个独立的线程完成数据的读写和业务处理。这虽然是“传统”的处理方式,但是也是最经典的 IO 线程模型。示意图如下:
在这里插入图片描述
该模型采用阻塞式 IO,连接创建后,如果当前线程暂时没有数据可读,该线程会阻塞在 read 操作,造成线程资源浪费。

当并发数很大,就会创建大量的线程,占用大量系统资源。

Reactor 模式

Reactor 模式针对传统 IO 的缺点,提出了解决方案。

方案 1:基于 I/O 复用模型。即多个连接共用一个阻塞对象,当某个连接有新的数据准备好时,操作系统通知应用程序,线程从阻塞状态返回,开始进行业务处理。

方案 2:基于线程池复用线程资源,不需要给每个连接创建一个线程。将连接完成后的业务处理任务分配给线程池中的线程进行处理。这样一个线程可以处理到多个客户端的业务。

总结一句话,I/O 多路复用 + 线程池,就是所谓的“Reactor 模式”的基本设计思想。其实我们前面 NIO 案例中的版本 1 的实现方式就有点这种味道,只不过不是严格意义上的 Reactor 模式罢了。

目前常用的Netty、Redis、Memcached、Nignx都是基于Reactor模式实现的。

Reactor模型的核心:

  • Reactor:Reactor 在一个单独的线程中运行,负责监听和分发事件,分发给适当的处理程序来对 I/O 事件做出反应。

  • Handlers:完成实际 I/O 事件中数据的读写和要做的一系列业务处理。

Reactor模型根据Reactor的数量和处理资源线程池的数量不同又分为三种Reactor线程模型:

  1. 单Reactor单线程
  2. 单Reactor多线程
  3. 主从Reactor多线程

单 Reactor 单线程

在这里插入图片描述
流程:

  1. Reactor 对象通过 Select 监控客户端请求事件,收到事件后通过 Dispatch 进行分发。
  2. 如果是建立连接请求事件,则由 Acceptor 通过 Accept 处理连接请求,然后创建一个 Handler 对象处理连接完成后的后续业务处理。
  3. 如果不是建立连接事件,则 Reactor 会分发调用连接对应的 Handler 来响应
  4. Handler 会完成 Read→业务处理→Send 的完整业务流程。

优点:

模型简单,没有多线程、进程通信、竞争的问题,全部都在一个线程中完成。

缺点:

  1. 性能问题,只有一个线程,无法完全发挥多核 CPU 的性能。Handler 在处理某个连接上的业务时,整个进程无法处理其他连接事件,很容易导致性能阻塞。
  2. 可靠性问题,线程意外终止,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。
  3. 使用场景:
    客户端的数量有限,业务处理非常快速。java原生nio就是这个模型。

单Reactor多线程

在这里插入图片描述
流程:

  1. Reactor 对象通过select 监控客户端请求事件, 收到事件后,通过dispatch进行分发。
  2. 如果建立连接请求, 则由Acceptor 通过accept 处理连接请求, 然后创建一个Handler对象处理完成连接后的各种事件。
  3. 如果不是连接请求,则由reactor分发调用连接对应的handler 来处理。
  4. handler 只负责响应事件,不做具体的业务处理, 通过read 读取数据后,会分发给后面的worker线程池的某个线程处理业务。
  5. worker 线程池会分配独立线程完成真正的业务,并将结果返回给handler。
  6. handler收到响应后,通过send 将结果返回给client。

优点:

  1. 可以充分的利用多核cpu 的处理能力。

缺点:

  1. 多线程数据共享和访问比较复杂, reactor 处理所有的事件的监听和响应,在单线程运行, 在高并发场景容易出现性能瓶颈.。

主从Reactor多线程

在这里插入图片描述
流程:

  1. Reactor主线程 MainReactor 对象通过select 监听连接事件, 收到事件后,通过Acceptor 处理连接事件。
  2. 当 Acceptor 处理连接事件后,MainReactor 将连接分配给SubReactor 。
  3. subreactor 将连接加入到连接队列进行监听,并创建handler进行各种事件处理。
  4. 当有新事件发生时, subreactor 就会调用对应的handler处理。
  5. handler 通过read 读取数据,分发给后面的worker 线程处理。
  6. worker 线程池分配独立的worker 线程进行业务处理,并返回结果。
  7. handler 收到响应的结果后,再通过send 将结果返回给client。
  8. Reactor 主线程可以对应多个Reactor 子线程, 即MainRecator 可以关联多个SubReactor。

优点:

  1. 父线程与子线程的数据交互简单职责明确,父线程只需要接收新连接,子线程完成后续的业务处理。
  2. 父线程与子线程的数据交互简单,Reactor 主线程只需要把新连接传给子线程,子线程无需返回数据。

缺点:

  1. 编程复杂度较高。

应用场景:

  1. 这种模型在许多项目中广泛使用,包括 Nginx 主从 Reactor 多进程模型,Memcached 主从多线程,Netty 主从多线程模型的支持。

引用:
https://www.cnblogs.com/Maarten/p/15313801.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/543661648

文章来源:https://blog.csdn.net/Linging_24/article/details/134984818
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