Reactor 模式与Tomcat中的Reactor

标签：Reactor Tomcat 处理模式 Handler 线程事件 IO

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。

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

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

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。

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

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

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