也谈Reactor模式

何谓Reactor模式？它是实现高性能IO的一种设计模式。网上资料有很多，有些写的也很好，但大多不知其所以然。这里博主按自己的思路简单介绍下，有不对的地方敬请指正。

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BIO

Java1.4（2002年）以前，IO都是Blocking的，也就是常说的BIO，它在等待请求、读、写（返回）三个环节都是阻塞的。在等待请求阶段，系统无法知道请求何时到达，因此需要一个主线程一直守着，当有请求进来时，将请求分发给读写线程。如图：

代码如下：

    ExecutorService executor = Excutors.newFixedThreadPollExecutor(100);//线程池
    ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
    serverSocket.bind(8088); 
    while(!Thread.currentThread.isInturrupted()){//主线程死循环等待新连接到来        
        Socket socket = serverSocket.accept();
        executor.submit(new ConnectIOnHandler(socket));//为新的连接创建新的线程 
    }

    class ConnectIOnHandler extends Thread{
        private Socket socket; 
        public ConnectIOnHandler(Socket socket){ this.socket = socket; }     
        public void run(){ 
            while(!Thread.currentThread.isInturrupted()&&!socket.isClosed()){//死循环处理读写事件 
                String someThing = socket.read()....//读取数据 
                if(someThing!=null){ 
　　　　　　　　　　　......//处理数据 
　　　　　　　　　　　socket.write()....//写数据 
            } 
        }
    }            

需知，请求进来（accept），并不表示数据马上达到了，可能隔一段时间才会传进来，这个时候socket.read()也是一直阻塞的状态。socket.write()也同理，当向磁盘或其它socket写数据时，也要等对方准备好才能写入，在对方准备阶段，socket.write()也是阻塞的。这两个环节可能的无效阻塞导致读写线程的低效。

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NIO

Java1.4开始，引入了NIO。NIO有三个概念：Selector、Buffer、Channel。与BIO的区别是，请求进来后，并不会马上分派IO线程，而是依靠操作系统底层的多路复用机制（select/poll/epoll等），在监听到socket读写就绪之后，再分配IO线程（实际可由当前线程[使用Buffer和Channel]直接读写，因为读写本身的效率很高），这就避免了线程等待。且与BIO多线程方式相比，使用I/O多路复用技术，系统不必创建和维护庞大的线程池，从而大大减小了开销。这部分工作是NIO的核心，由Selector负责，本质上是多路复用的Java封装。而Buffer和Channel又封装了一层socket的读写，应该为的是将IO与业务代码彻底分离。以下图示为本人理解：

如图示，与BIO中监听线程职责不同，Selector监听的不只是连接请求，还有读写就绪事件，当某个事件发生时，即通知注册了该事件的Channel，由Channel操作socket读写Buffer。虚线表示需要具体的NIO框架或业务代码自己处理，比如Channel如何注册以及注册何种事件，Channel处理IO的方式（如在当前线程处理还是新开线程，若新开线程，则可看作是AIO模式）等。NIO只是提供了一套机制，具体使用还是需要编程实现（Reactor模式就是OO的一种实现）。

示例代码（摘自Java NIO详解）

服务端：

package cn.blog.test.NioTest;


import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;


public class MyNioServer {
    private Selector selector;          //创建一个选择器
    private final static int port = 8686;
    private final static int BUF_SIZE = 10240;

    private void initServer() throws IOException {
        //创建通道管理器对象selector
        this.selector=Selector.open();

        //创建一个通道对象channel
        ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open();
        channel.configureBlocking(false);       //将通道设置为非阻塞
        channel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));       //将通道绑定在8686端口

        //将上述的通道管理器和通道绑定，并为该通道注册OP_ACCEPT事件
        //注册事件后，当该事件到达时，selector.select()会返回（一个key），如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞
        SelectionKey selectionKey = channel.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true){       //轮询
            selector.select();          //这是一个阻塞方法，一直等待直到有数据可读，返回值是key的数量（可以有多个）
            Set keys = selector.selectedKeys();         //如果channel有数据了，将生成的key访入keys集合中
            Iterator iterator = keys.iterator();        //得到这个keys集合的迭代器
            while (iterator.hasNext()){             //使用迭代器遍历集合
                SelectionKey key = (SelectionKey) iterator.next();       //得到集合中的一个key实例
                iterator.remove();          //拿到当前key实例之后记得在迭代器中将这个元素删除，非常重要，否则会出错
                if (key.isAcceptable()){         //判断当前key所代表的channel是否在Acceptable状态，如果是就进行接收
                    doAccept(key);
                }else if (key.isReadable()){
                    doRead(key);
                }else if (key.isWritable() && key.isValid()){
                    doWrite(key);
                }else if (key.isConnectable()){
                    System.out.println("连接成功！");
                }
            }
        }
    }

    public void doAccept(SelectionKey key) throws IOException {
        ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
        System.out.println("ServerSocketChannel正在循环监听");
        SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();
        clientChannel.configureBlocking(false);
        clientChannel.register(key.selector(),SelectionKey.OP_READ);
    }

    public void doRead(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(BUF_SIZE);
        long bytesRead = clientChannel.read(byteBuffer);
        while (bytesRead>0){
            byteBuffer.flip();
            byte[] data = byteBuffer.array();
            String info = new String(data).trim();
            System.out.println("从客户端发送过来的消息是："+info);
            byteBuffer.clear();
            bytesRead = clientChannel.read(byteBuffer);
        }
        if (bytesRead==-1){
            clientChannel.close();
        }
    }

    public void doWrite(SelectionKey key) throws IOException {
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(BUF_SIZE);
        byteBuffer.flip();
        SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
        while (byteBuffer.hasRemaining()){
            clientChannel.write(byteBuffer);
        }
        byteBuffer.compact();
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        MyNioServer myNioServer = new MyNioServer();
        myNioServer.initServer();
    }
}

客户端：

package cn.blog.test.NioTest;


import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;

public class MyNioClient {
    private Selector selector;          //创建一个选择器
    private final static int port = 8686;
    private final static int BUF_SIZE = 10240;
    private static ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(BUF_SIZE);

    private void  initClient() throws IOException {
        this.selector = Selector.open();
        SocketChannel clientChannel = SocketChannel.open();
        clientChannel.configureBlocking(false);
        clientChannel.connect(new InetSocketAddress(port));
        clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
        while (true){
            selector.select();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
            while (iterator.hasNext()){
                SelectionKey key = iterator.next();
                iterator.remove();
                if (key.isConnectable()){
                    doConnect(key);
                }else if (key.isReadable()){
                    doRead(key);
                }
            }
        }
    }

    public void doConnect(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
        if (clientChannel.isConnectionPending()){
            clientChannel.finishConnect();
        }
        clientChannel.configureBlocking(false);
        String info = "服务端你好!!";
        byteBuffer.clear();
        byteBuffer.put(info.getBytes("UTF-8"));
        byteBuffer.flip();
        clientChannel.write(byteBuffer);
        //clientChannel.register(key.selector(),SelectionKey.OP_READ);
        clientChannel.close();
    }

    public void doRead(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
        clientChannel.read(byteBuffer);
        byte[] data = byteBuffer.array();
        String msg = new String(data).trim();
        System.out.println("服务端发送消息："+msg);
        clientChannel.close();
        key.selector().close();
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        MyNioClient myNioClient = new MyNioClient();
        myNioClient.initClient();
    }
}

在早期的JDK1.4和1.5 update10版本之前，Selector基于select/poll模型实现，是基于IO复用技术的非阻塞IO，不是异步IO。在JDK1.5 update10和linux core2.6以上版本，sun优化了Selctor的实现，底层使用epoll替换了select/poll。另据说Buffer指向的并非堆内内存，NIO使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作，避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。

NIO的实现解析可参看：深入浅出NIO Socket实现机制

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Reactor模式

NIO为实现Reactor模式提供了基础，上面的NIO图示其实就是Reactor模式的雏形，只是Reactor以OO的方式抽象出了几个概念，使得职责划分更加明确。

• Reactor：Reactor是IO事件的派发者，对应NIO的Selector；
• Acceptor：Acceptor接受client连接，建立对应client的Handler，并向Reactor注册此Handler，对应NIO中注册Channel和事件触发时的判断分支（上述NIO服务端示例代码的38-46行）；
• Handler：IO处理类，对应NIO中Channel[使用socket]操作Buffer的过程。

基于上述三个角色画出Reactor模式图如下：

如此，Reactor模式便非常清晰地展现在我们眼前。那么业务线程如何与Reactor交互呢？由前文所知，数据存取于Buffer，具体操作由Handler负责。socket.read()将数据读入Buffer，需要一种机制将Buffer引用推送给业务线程；同样，业务线程返回的数据需要写入Buffer，按Reactor模式，写入后还需要注册write事件，socket可写后write()。如果直接调用的话，至少Handler和业务代码会耦合在一起，常见的解耦方式是定义接口，或使用消息中间件。

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其它

话说回来，由于相对短暂的历史以及相对封闭的环境，.Net社区缺少很多概念的演化、探究和讨论，这也导致了.Neter们这些概念的缺失。虽然从语言层面上来说，C#和Java大同小异，前者甚至一定程度的有语法上的便利，然而只有认识到了其背后的思想和模式，才能真正用好这门语言，这就是.Neter需要了解Java及其历史的原因，毕竟.Net一开始就是参照着Java来的。

比如.Net里的堆栈概念，就算一些经典书籍都没有非常深入的说明，而Java方面的资料就很多了，参看深入理解JVM—JVM内存模型

 

其它参考资料：

NIO浅析

深入理解Java NIO

网络通信socket连接数上限

 

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