Reactor 模式与Tomcat中的Reactor
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
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。
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
然后将事件保证为PollerEvent 提交到Poller的阻塞队列中
3.Poller 轮询阻塞队列中的PollerEvent并注册到Selector上
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
4.Poller中Selector IO多路复用处理事件，并处理事件
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。
