线程模型演化

1. 单线程

　　时间回到十几年前，那时主流的CPU都仍是单核（除了商用高性能的小机），CPU的核心频率是机器最重要的指标之一。

在编程领域当时比较流行的是单线程编程，对于CPU密集型的应用程序而言，频繁的经过多线程进行协做和抢占时间片反而会下降性能。

2. 多线程

　　随着硬件性能的提高，CPU的核数愈来愈越多，不少服务器标配已经达到32或64核。经过多线程并发编程，能够充分利用多核CPU的处理能力，提高系统的处理效率和并发性能。

从2005年开始，随着多核处理器的逐步普及，多线程并发编程也逐渐流行起来，用户能够经过 new Thread（）的方式建立新的线程。

根据不一样的语言多线程之间的同步、协做、建立和销毁等工做都须要用户本身处理。因为建立和销毁线程是个相对比较重量级的操做，所以，这种原始的多线程编程效率和性能都不高。

3. 线程池

　　为了提高多线程编程的效率和性能，下降用户开发难度。JDK1.5推出了java.util.concurrent并发编程包。在并发编程类库中，提供了线程池、线程安全容器、原子类等新的类库，极大的提高了Java多线程编程的效率，下降了开发难度。若是使用c/c++这些就须要本身实现，固然对线程的理解也会更深刻。

 

从JDK1.5开始，基于线程池的并发编程已经成为Java多核编程的主流。

4. Reactor模型

　　不管是C++仍是Java编写的网络框架，大多数都是基于Reactor模式进行设计和开发，Reactor模式基于事件驱动，特别适合处理海量的I/O事件。

4.1  单线程模型

　　Reactor单线程模型，指的是全部的IO操做都在同一个NIO线程上面完成，NIO线程的职责以下：

　　1）做为NIO服务端，接收客户端的TCP链接；

　　2）做为NIO客户端，向服务端发起TCP链接；

　　3）读取通讯对端的请求或者应答消息；

　　4）向通讯对端发送消息请求或者应答消息。

　　Reactor单线程模型示意图以下所示：

　　　　　　　　　　　　图1-1 Reactor单线程模型

 

　　因为Reactor模式使用的是异步非阻塞IO，全部的IO操做都不会致使阻塞，理论上一个线程能够独立处理全部IO相关的操做。从架构层面看，一个NIO线程确实能够完成其承担的职责。例如，经过Acceptor类接收客户端的TCP链接请求消息，链路创建成功以后，经过Dispatch将对应的ByteBuffer派发到指定的Handler上进行消息解码。用户线程能够经过消息编码经过NIO线程将消息发送给客户端。

对于一些小容量应用场景，可使用单线程模型。可是对于高负载、大并发的应用场景却不合适，主要缘由以下：

　　1） 一个NIO线程同时处理成百上千的链路，性能上没法支撑，即使NIO线程的CPU负荷达到100%，也没法知足海量消息的编码、解码、读取和发送；

　　2） 当NIO线程负载太重以后，处理速度将变慢，这会致使大量客户端链接超时，超时以后每每会进行重发，这更加剧了NIO线程的负载，最终会致使大量消息积压和处理超时，成为系统的性能瓶颈；

　　3）可靠性问题：一旦NIO线程意外跑飞，或者进入死循环，会致使整个系统通讯模块不可用，不能接收和处理外部消息，形成节点故障。

　　为了解决这些问题，演进出了Reactor多线程模型，下面咱们一块儿学习下Reactor多线程模型。

4.2  多线程模型

　　Rector多线程模型与单线程模型最大的区别就是有一组NIO线程处理IO操做，它的原理图以下：

　　　　　　　　　　　　图1-2 Reactor多线程模型

Reactor多线程模型的特色：

　　1） 有专门一个NIO线程-Acceptor线程用于监听服务端，接收客户端的TCP链接请求；

　　2） 网络IO操做-读、写等由一个NIO线程池负责，线程池能够采用标准的JDK线程池实现，它包含一个任务队列和N个可用的线程，由这些NIO线程负责消息的读取、解码、编码和发送；

　　3） 1个NIO线程能够同时处理N条链路，可是1个链路只对应1个NIO线程，防止发生并发操做问题。

　　在绝大多数场景下，Reactor多线程模型均可以知足性能需求；可是，在极个别特殊场景中，一个NIO线程负责监听和处理全部的客户端链接可能会存在性能问题。例如并发百万客户端链接，或者服务端须要对客户端握手进行安全认证，可是认证自己很是损耗性能。在这类场景下，单独一个Acceptor线程可能会存在性能不足问题，为了解决性能问题，产生了第三种Reactor线程模型-主从Reactor多线程模型。

4.3  主从多线程模型

　　主从Reactor线程模型的特色是：服务端用于接收客户端链接的再也不是个1个单独的NIO线程，而是一个独立的NIO线程池。Acceptor接收到客户端TCP链接请求处理完成后（可能包含接入认证等），将新建立的SocketChannel注册到IO线程池（sub reactor线程池）的某个IO线程上，由它负责SocketChannel的读写和编解码工做。Acceptor线程池仅仅只用于客户端的登录、握手和安全认证，一旦链路创建成功，就将链路注册到后端subReactor线程池的IO线程上，由IO线程负责后续的IO操做。

它的线程模型以下图所示：

　　　　　　　　　　　　图1-3 主从Reactor多线程模型

　　利用主从NIO线程模型，能够解决1个服务端监听线程没法有效处理全部客户端链接的性能不足问题。

它的工做流程总结以下：

1. 从主线程池中随机选择一个Reactor线程做为Acceptor线程，用于绑定监听端口，接收客户端链接；

2. Acceptor线程接收客户端链接请求以后建立新的SocketChannel，将其注册到主线程池的其它Reactor线程上，由其负责接入认证、IP黑白名单过滤、握手等操做；

3. 步骤2完成以后，业务层的链路正式创建，将SocketChannel从主线程池的Reactor线程的多路复用器上摘除，从新注册到Sub线程池的线程上，用于处理I/O的读写操做。

参考：Netty系列之Netty线程模型