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Reactor模式

时间:2024-09-28 20:34:52浏览次数:8  
标签:Reactor 模式 selector socketChannel byteBuffer selectionKey serverSocketChannel pu

Reactor模式

许多高性能的服务器软件离不开Reactor模式.像高性能缓存Redis,高性能web服务器Nginx,高性能的网络组件Netty,高性能的消息中间件Kafka,RocketMQ等.

那什么是Reactor模式呢?借用Doug Lea大师的话来说,就是:

Reactor模式由Reactor线程,Handles处理器两大角色组成,它们的职责分别是:

1.Reactor线程负责响应IO事件,并且将IO事件分发到Handles处理器
2.Handles线程:IO的读取,业务逻辑处理,写入

那为什么会产生Reactor模式呢?这就不得不说起OIO了.OIO又叫BIO,阻塞IO,像ServerScoket,Socket的read和write都会阻塞线程,直到完成IO操作. 系统的吞吐量特别低,每个IO操作都会阻塞其他的操作.为了解决这个问题,后面引入了每个连接一个线程.由每个线程处理一个连接的IO读,业务处理,IO写.这样每个连接在IO操作阻塞时不会影响其他的线程.

在系统的连接数少时没有问题,当连接数越来越多时,线程的数量就越来越多.对系统的资源消耗太高.

为了解决以上的问题,需要控制线程的数量.假设一个线程处理大量的连接,就可以控制系统资源的使用,同时提高系统的吞吐量.

单线程的Reactor模式

如果Reactor线程和Handles线程是同一个线程,就是最简单的Reactor模式了.

来看个例子,实现个Echo服务,简单返回客户端发送的数据.

服务端:

public interface Handler {
    void handle() throws IOException;
}


public class AcceptorHandler implements Handler{

    ServerSocketChannel serverSocketChannel;

    Selector selector;

    public AcceptorHandler(ServerSocketChannel serverSocketChannel,
                           Selector selector) {
        this.serverSocketChannel = serverSocketChannel;
        this.selector = selector;
    }

    @Override
    public void handle() {
        try {
            SocketChannel channel = serverSocketChannel.accept();

            channel.configureBlocking(false);

            SelectionKey selectionKey = channel.register(selector, 0);
            selectionKey.attach(new IOHandler(channel, selector,selectionKey));
            selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }

    }
}

public class IOHandler implements Handler {

    Selector selector;

    SocketChannel socketChannel;

    SelectionKey selectionKey;
    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(2048);

    public IOHandler(SocketChannel socketChannel,Selector selector,
                     SelectionKey selectionKey) {
        this.selector = selector;
        this.socketChannel = socketChannel;
        this.selectionKey = selectionKey;
    }

    @Override
    public void handle() {
        if (selectionKey.isReadable()) {
            try {
                while (socketChannel.read(byteBuffer) > 0) {
                    byteBuffer.flip();
                    System.out.println("读的内容是"+ new String(byteBuffer.array(),byteBuffer.position(),byteBuffer.limit()));
                }

                SelectionKey selectionKey1 = selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
                selectionKey1.attach(this);
            } catch (IOException e) {
                try {
                    socketChannel.close();
                } catch (IOException ex) {

                }
            }
        }else if (selectionKey.isWritable()) {
            try {
                while (socketChannel.write(byteBuffer) > 0) {

                }

                byteBuffer.clear();

                SelectionKey selectionKey1 = selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                selectionKey1.attach(this);
            } catch (Exception e) {
                try {
                    socketChannel.close();
                } catch (IOException ex) {

                }
            }
        }
     }
}

public class EchoServer {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            startServer();
        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }


    public static void startServer() throws Exception {
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

        serverSocketChannel.configureBlocking(false);

        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress("localhost",10700));

        Selector selector = Selector.open();

        SelectionKey selectionKey = serverSocketChannel.register(selector, 0);
        selectionKey.attach(new AcceptorHandler(serverSocketChannel,selector));
        selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (!Thread.interrupted()) {
            int select = selector.select();
            if (select > 0) {
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();

                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();

                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey selectionKey1 = iterator.next();

                    Handler handler = (Handler) selectionKey1.attachment();
                    handler.handle();
                }
                selectionKeys.clear();
            }
        }

        serverSocketChannel.close();
        selector.close();
    }
}

客户端:

public class EchoClient {

    private static final ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(2048);

    public static void main(String[] args) {
        try {
            startClient();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void startClient() throws Exception {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();

        socketChannel.configureBlocking(false);
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost",10700));

        while (!socketChannel.finishConnect()) {

        }

        System.out.println("成功与服务器建立连接");

        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        System.out.print("请输入一行:");
        while (scanner.hasNext()) {
            String s = scanner.nextLine();

            byteBuffer.clear();
            byteBuffer.put(s.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

            byteBuffer.flip();

            while(socketChannel.write(byteBuffer)>0) {

            }


            byteBuffer.clear();
            while (socketChannel.read(byteBuffer) == 0) {

            }

            byteBuffer.flip();
            System.out.println("从服务器接收数据:"+new String(byteBuffer.array(), byteBuffer.position(), byteBuffer.limit()));

            System.out.print("请输入一行:");
        }

        socketChannel.close();
    }
}

可以看到一个线程管理了很多连接,解决了每个连接一个线程的系统资源消耗的问题.可以看出,缺点就是进行IO操作时还会阻塞其他的线程.

多线程Reactor模式

在单线程的Reactor模式加上多线程来改进阻塞问题:
1.Handle加多线程,考虑使用线程池
2.Reactor加多线程,引入多个Selector

现在看下多线程版本的Reactor实现的Echo服务:

服务器

public class MultiAcceptorHandler implements Handler {

    ServerSocketChannel serverSocketChannel;

    Selector selector;

    ExecutorService executorService;

    public MultiAcceptorHandler(ServerSocketChannel serverSocketChannel,
                                Selector selector,ExecutorService executorService) {
        this.serverSocketChannel = serverSocketChannel;
        this.selector = selector;
        this.executorService = executorService;
    }

    @Override
    public void handle() {
        try {
            SocketChannel channel = serverSocketChannel.accept();

            channel.configureBlocking(false);

            new MultiIOHandler(channel, selector,executorService);
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }

    }
}

public class MultiIOHandler implements Handler {

    final Selector selector;

    final SocketChannel socketChannel;

    final SelectionKey selectionKey;

    final ExecutorService executorService;
    final ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(2048);

    int read = 0;
    public MultiIOHandler(SocketChannel socketChannel, Selector selector,
                           ExecutorService executorService) {
        this.selector = selector;
        this.socketChannel = socketChannel;
        this.executorService = executorService;

        try {
            this.selectionKey = socketChannel.register(selector, 0);
            this.socketChannel.configureBlocking(false);
            this.selectionKey.attach(this);
            this.selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
            selector.wakeup();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    @Override
    public void handle() {
        executorService.submit(this::syncRun);
     }

     public synchronized void syncRun() {
         if (read==0) {
             try {
                 while (socketChannel.read(byteBuffer) > 0) {
                     System.out.println("读的内容是"+ new String(byteBuffer.array(),0,byteBuffer.position()));
                 }
                 byteBuffer.flip();
                 System.out.println("读取"+byteBuffer.position()+","+byteBuffer.limit());
                 selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);

                 read=1;
                 selector.wakeup();
             } catch (IOException e) {
                 try {
                     socketChannel.close();
                 } catch (IOException ex) {

                 }
             }
         }else {
             try {
                 while (socketChannel.write(byteBuffer) > 0) {

                 }

                 byteBuffer.clear();

                 selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                 read=0;
                 selector.wakeup();
             } catch (Exception e) {
                 try {
                     socketChannel.close();
                 } catch (IOException ex) {

                 }
             }
         }
     }
}

public class SelectorThread implements Runnable {

    Selector selector;

    int index;

    public SelectorThread(Selector selector,int index) {
        this.selector = selector;
        this.index = index;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (!Thread.interrupted()) {
//                System.out.println(index+"正在运行");
                selector.select();
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();

                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();

                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey selectionKey = iterator.next();

                    Handler handler = (Handler) selectionKey.attachment();

                    if (handler != null) {
                        handler.handle();
                    }
                }

                selectionKeys.clear();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }
}


public class MultiEchoServer {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            startServer();
        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }


    public static void startServer() throws Exception {
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

        serverSocketChannel.configureBlocking(false);

        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress("localhost",10700));

        Selector[] selectors = new Selector[2];

        SelectorThread[] selectorThreads = new SelectorThread[2];

        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            selectors[i] = Selector.open();
        }

        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(Runtime.getRuntime().availableProcessors());

        SelectionKey selectionKey = serverSocketChannel.register(selectors[0], 0);
        selectionKey.attach(new MultiAcceptorHandler(serverSocketChannel,selectors[1],executorService));
        selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);

        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            selectorThreads[i] = new SelectorThread(selectors[i],i);
            new Thread(selectorThreads[i]).start();
        }

		//        Thread closeThread = new Thread(() -> {
		//            try {
		//                executorService.awaitTermination(5, TimeUnit.SECONDS);
		//
		//                executorService.shutdown();
		//                serverSocketChannel.close();
		//
		//                for (int i= 0; i < 2; i++) {
		//                    selectors[i].close();
		//                }
		//            } catch (Exception e) {
		//                e.printStackTrace();
		//            }
		//        });
		//
		//        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(closeThread);
			}
		}

Selector[] selectors = new Selector[2]使用了两个Selector,第一个用于接收客户端的连接,注册的Handle是MultiAcceptorHandler;接收连接后将处理IO注册到第二个Selector, 第二个用于处理IO读取和写入,注册的Handle是MultiIOHandler.每个连接的IO处理也是用线程池处理的.

注意:在MultiIOHandler不能用selectionKey.isReadable()来判断是否是可读,增加了read标志来判断.

优缺点

优点

1.响应快,虽然Reactor线程是同步的,但是不会被IO操作所阻塞
2.编程简单
3.可扩展,可以加多线程充分利用CPU资源

缺点

1.有一定复杂性
2.依赖操作系统支持
3.同一个Handle中出现长时间读写,会造成Reactor线程的其他通道的IO处理

标签:Reactor,模式,selector,socketChannel,byteBuffer,selectionKey,serverSocketChannel,pu
From: https://www.cnblogs.com/shigongp/p/18438134

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