Reactor — NIO原理以及Reactor模式_综合

一、JAVA NIO

NIO主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector。传统IO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channel和Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择区)用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个线程可以监听多个数据通道。

NIO和传统IO（一下简称IO）之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变得可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。

Channel

Channel和IO中的Stream(流)是差不多一个等级的。只不过Stream是单向的，譬如：InputStream, OutputStream.而Channel是双向的，既可以用来进行读操作，又可以用来进行写操作。
NIO中的Channel的主要实现有：分别可以对应文件IO、UDP和TCP（Server和Client）

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel

Buffer

缓冲区，实际上是一个容器，一个连续数组。Channel提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读写的数据都必须经过Buffer。NIO中的关键Buffer实现有：ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer，分别对应基本数据类型: byte, char, double, float, int, long, short。当然NIO中还有MappedByteBuffer, HeapByteBuffer, DirectByteBuffer等这里先不进行陈述。

Selector

NIO 有一个主要的类Selector,这个类似一个观察者，只要我们把需要探知的socketchannel告诉Selector,我们接着做别的事情，当有事件发生时，他会通知我们，传回一组SelectionKey,我们读取这些Key,就会获得我们刚刚注册过的socketchannel,然后，我们从这个Channel中读取数据，接着我们可以处理这些数据。

Selector内部原理实际是在做一个对所注册的channel的轮询访问，不断的轮询(目前就这一个算法)，一旦轮询到一个channel有所注册的事情发生，比如数据来了，他就会站起来报告，交出一把钥匙，让我们通过这把钥匙来读取这个channel的内容。

Selector运行单线程处理多个Channel，如果你的应用打开了多个通道，但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便。例如在一个聊天服务器中。要使用Selector, 得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件的例子有如新的连接进来、数据接收等。

Reactor模式原理

Java NIO非堵塞技术实际是采取Reactor模式，或者说是Observer模式为我们监察I/O端口，如果有内容进来，会自动通知我们，这样，我们就不必开启多个线程死等，从外界看，实现了流畅的I/O读写，不堵塞了。
在这里插入图片描述
在非堵塞I/O API中，监视器是其一个重要的类Selector，被监视的源目标是可以被Selector联系的SelectableChannel（基本也属于Selector的相关部分），事件类型有：是否有接受的连接（OP_ACCEPT）、是否可以连接（OP_CONNECT）、是否可以读取（OP_READ）和是否可以写入（OP_WRITE）。

监视器Selector主要是监视这些事件，一旦发生，生成SelectionKey对象，Selector是自我触发、自我激活的，因此是典型的Reactor模式实现，但是，在非堵塞I/O API中，并不是由Selector来实现事件的处理，事件处理是由Selector激活出来后，通过其他处理器Handler来实现处理，开发者使用非堵塞I/O API需要做的工作就是：获取Selector激发的事件，然后根据相应事件类型，编制自己的处理器代码来进行具体处理。例如，如果是可读取事件，那么编制代码从SelectableChannel读取数据包，然后处理这个数据包。

在非堵塞I/O API中，使用Reactor模式将事件发生和事件处理两个部分实现分离解耦，事件发生部分只负责事件的激活，而事件处理由专门的处理器实现具体处理。

1、Reactor模式事件机制

经典的网络服务的设计如下图，在每个线程中完成对数据的处理：
在这里插入图片描述
但这种模式在用户负载增加时，性能将下降非常的快。我们需要重新寻找一个新的方案，保持数据处理的流畅，很显然，事件触发机制是最好的解决办法，当有事件发生时，会触动handler,然后开始数据的处理。Reactor模式类似于AWT中的Event处理：
在这里插入图片描述

2、Reactor模式参与者

1.Reactor 负责响应IO事件，一旦发生，广播发送给相应的Handler去处理,这类似于AWT的thread
2.Handler 是负责非堵塞行为，类似于AWT ActionListeners；同时负责将handlers与event事件绑定，类似于AWT addActionListener
在这里插入图片描述
Java的NIO为reactor模式提供了实现的基础机制，它的Selector当发现某个channel有数据时，会通过SelectorKey来告知我们，在此我们实现事件和handler的绑定。

了解以上基本原理，我们结合代码看看reactor模式代码使用:

public class Reactor implements Runnable{
    final Selector selector;final ServerSocketChannel serverSocket;Reactor(int port) throws IOException {
    selector = Selector.open();serverSocket = ServerSocketChannel.open();InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(),port);serverSocket.socket().bind(address);serverSocket.configureBlocking(false);//向selector注册该channelSelectionKey sk =serverSocket.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);logger.debug("-->Start serverSocket.register!");//利用sk的attache功能绑定Acceptor 如果有事情，触发Acceptorsk.attach(new Acceptor());logger.debug("-->attach(new Acceptor()!");}public void run() {
     // normally in a new Threadtry {
    while (!Thread.interrupted()){
    selector.select();Set selected = selector.selectedKeys();Iterator it = selected.iterator();//Selector如果发现channel有OP_ACCEPT或READ事件发生，下列遍历就会进行。while (it.hasNext())//来一个事件 第一次触发一个accepter线程//以后触发SocketReadHandlerdispatch((SelectionKey)(it.next()));selected.clear();}}catch (IOException ex) {
    logger.debug("reactor stop!"+ex);}}//运行Acceptor或SocketReadHandlervoid dispatch(SelectionKey k) {
    Runnable r = (Runnable)(k.attachment());if (r != null){
    // r.run();//....}}class Acceptor implements Runnable {
     // innerpublic void run() {
    try {
    logger.debug("-->ready for accept!");SocketChannel c = serverSocket.accept();if (c != null)//调用Handler来处理channelnew SocketReadHandler(selector, c);}catch(IOException ex) {
    logger.debug("accept stop!"+ex);}}}
}

以上代码中巧妙使用了SocketChannel的attach功能，将Handler和可能会发生事件的channel链接在一起，当发生事件时，可以立即触发相应的Handler。

Handler代码:


public class SocketReadHandler implements Runnable {
    public static Logger logger = Logger.getLogger(SocketReadHandler.class);private Test test=new Test();final SocketChannel socket;final SelectionKey sk;static final int READING = 0, SENDING = 1;int state = READING;public SocketReadHandler(Selector sel, SocketChannel c)throws IOException {
    socket = c;socket.configureBlocking(false);sk = socket.register(sel, 0);//将SelectionKey绑定为本Handler 下一步有事件触发时，将调用本类的run方法。//参看dispatch(SelectionKey k)sk.attach(this);//同时将SelectionKey标记为可读，以便读取。sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);sel.wakeup();}public void run() {
    try{
    // test.read(socket,input);readRequest() ;}catch(Exception ex){
    logger.debug("readRequest error"+ex);}}/** * 处理读取data * @param key * @throws Exception */
private void readRequest() throws Exception {
    ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(1024);input.clear();try{
    int bytesRead = socket.read(input);......//激活线程池 处理这些requestrequestHandle(new Request(socket,btt));.....}catch(Exception e) {
    }}

Handler里面又执行了一次attach，这样，覆盖前面的Acceptor，下次该Handler又有READ事件发生时，将直接触发Handler.从而开始了数据的读、处理、写、发出等流程处理。
将数据读出后，可以将这些数据处理线程做成一个线程池，这样数据读出后，立即扔到线程池中，这样加速处理速度：
在这里插入图片描述