NIO界最强“Hello World”,不服来辩！！！

1、主从多Reactor模型

不知道大家有没有发现面向网络编程的框架都非常突出线程模型，其实也不难理解，因为网络编程是IO密集型，合理使用线程对提高性能有着非常显著的作用。

在网络编程模型中，有一个非常经典的线程模型：主从多Reactor模型，其示意图如下所示：

我们首先简单介绍一下上图中涉及的几个重要角色：

• Acceptor
  请求接收者，在实践时其职责类似服务器，并不真正负责连接请求的建立，而只将其请求委托 Main Reactor 线程池来实现，起到一个转发的作用。
• Main Reactor
  主 Reactor 线程组，主要负责连接事件，并将IO读写请求转发到 SubReactor 线程池。当然在一些需要对客户端进行权限控制等场景下，权限校验的职责可以放到 Main Reactor 线程池，即Main Reactor 也可以注册通道的读写事件，读取客户端权限校验相关的数据包，执行权限验证，权限验证通过后再将2通道注册到IO线程。
• Sub Reactor
  Main Reactor 通常监听客户端连接后会将通道的读写转发到 Sub Reactor 线程池中一个线程(负载均衡)，负责数据的读写。在 NIO 中 通常注册通道的读(OP_READ)、写事件(OP_WRITE)。

上面的图非常经典，除了介绍了线程模型相关知识外，其实还罗列出了网络通信的核心步骤：

• 编码/解码(通信协议)
• 认证授权
• 网络读、写
• 业务逻辑处理线程池

上述的线程模型非常经典，那我们能否基于NIO，来模拟实现上面的线程模型呢？

2、基于NIO实现主从多Reactor模型

我听一个技术圈大佬对我说过这样一句话：NIO是一名程序员进阶的第一个门槛，也是必需跨过的门槛。

笔者将尝试用NIO实现Reactor模型，成为NIO界最强的"Hello Wold"。

为了接下来的代码进行展示与讲解，首先先罗列出其核心类图：

各个类的职责说明情况如下：

• Acceptor
  服务端接收器，主要绑定端口，将ServerSocketChannel转发到MainReactor，及主从多Reactor模型中的主Reactor中。如果服务端绑定多个端口，则会创建多个ServerSocketChannel，但通常情况只会绑定到一个端口。
• MainReactor
  主Reactor，主要承担接受客户端的连接请求，即主要负责OP_ACCEPT事件的处理，并将创建的连接(SocketChannel)转发到从Reactor线程组，由其处理读写事件。
• SubReactorThreadGroup
  从Reactor线程组，维护多个Reactor线程，并提供负载均衡。
• SubReactorThread
  从Reactor，主要负责IO读写，俗称IO线程。

在上源码之前我们再来看一下整个示例到时序图：

核心的关键点如下：

• Acceptor主要是创建ServerSocketChannel，然后转发给MainReactor
• MainReactor中维护一个NIO Selector事件选择器，注册OP_ACCEPT事件，每处理一个OP_ACCEPT，表示一个新的客户端连接，在服务端会创建一个SocketChannel对象，接着将该对象转发到从Reactor。
• SubReactorThreadGroup
  主从多Reactor模型中的从Reactor组，包含多个从Reactor线程，新的连接会进行负载均衡，选择其中一个Reactor来处理特定的SocketChannel。
• SubReactorThread
  从Reactor线程，会维护一个Nio Selector，会将SocketChannel注册到该事件选择器，处理读、写请求，一个Selector中会包含多个Channel(SocketChannel)，但一个SocketChannel在其生命周期中只会注册到一个Selector，这样可以简化处理模型。

程序员希望不服就干，接下来我将展示基于NIO实现多Reactor的代码，应该是全网目前第一个直接用代码实现。

温馨提示：为了便于排版，本文中的代码统一用截图进行展示，代码获取方式：私信回复 reactorcode 即可获取。

2.1 Acceptor代码实现

Acceptor代码实现如下：

Acceptor代码实现比较简单，就是利用NIO提供的API创建ServerSocketChannel，并设置为非阻塞模式，并调用bind方法绑定端口，然后转发到MainReactor中。

2.2 MainReactor代码实现

MainReactor代码实现如下图所示：

代码实现要点：

• 创建Selector选择器对象，并注册OP_ACCEPT事件，用于监听客户端的链接
• 创建从Reactor线程组
• NIO事件选择经典使用方法，通过循环调用selector的select方法，此方法会返回当前就绪的事件,例如读事件就绪，表明此时调用该通道的网络读API，一定会返回有效数据
• 如果当前事件是OP_ACCEPT,则调用ServerSocketChannel的accept方法，创建一个SocketChannel对象，并转发到从Reactor线程组中。

2.3 SubReactorThreadGroup代码实现

SubReactorThreadGroup的角色是充当从Reactor线程组，其代码实现如下图所示：

主要的关键点如下：

• 内部持有一个业务线程池，
• 用于执行业务逻辑，可类比Dubbo中的用于执行服务提供这各个Service的业务代码
• 通过next()进行负载均衡，选择一个从Reactor。
• 这里使用了NioTask，主要是因为Selector虽然是线程安全的，但其内部持有的Key Set是线程不安全的，故这里为保证Selector的现线程安全性，selector的任何方法只会在从Reactor线程中执行，这里只是添加到任务队列中，最终会由从Reactor线程去执行。

2.4 SubReactorThread代码实现

该类是从Reactor到核心逻辑，接下来将详细介绍其实现。

主要是提供增加IO读写任务(NioTask)添加到任务队列中，并在执行业务逻辑时转发到业务线程池。

接下来详细介绍SubReactorThread到run方法实现，重点关注读写事件的处理流程。

Step1：NIO事件处理的核心要点：

• 事件选择器的常用套路，调用select进行事件就绪选择，然后遍历就绪集合。
• 如果事件类型为写事件，直接将数据通过调用通道的write方法将数据写入到网络，这里的核心关键点：

调用SocketChannel的write方法会返回本次写入的字节数，如果等于0，并且数据还未全部写入，则说明写入缓存区已满，需要再次注册写事件。

• 如果事件类型为读事件，调用SocketChannel的read方法将从网络中读取数据，这里有几个侧重点需要说明：
• 一次read读取有可能并没有完整夺取一个请求，该方法可以调用多次，当返回0时可以停止继续读取。
• read方法将数据读取到ByteBuffer(缓存区)，如何从缓存区中读取一个完整的请求是关键，因为该缓存区中可能包含一个请求，也可以包含多个。这里的解决方案就是：编码、解码，关于这部分内容，大家可以参考文章：https://mp.weixin.qq.com/s/GDyG7wWLU5YijKvhFwljXg
• 经过解码，从请求流中解码一个请求后，将请求转发到业务线程池。

处理完事件选择相关的任务后，开始执行应用程序的任务，例如读事件注册、写操作。这里的关键点是调用SocketChannel的write方法会返回本次写入的字节数，如果等于0，并且数据还未全部写入，则说明写入缓存区已满，需要再次注册写事件，否则应该取消写事件。

本文转载自公众号：中间件兴趣圈