一步步动手实现高并发的Reactor模型——Kafka底层如何充分利用多线程优势去处理网络I/O与业务分发

Kafka网络采用的是Reactor模式，是一种基于事件驱动的模式。熟悉Java编程的读者应该了解Java NIO提供了Reactor模式的API。常见的单线程Java NIO编程模式如图所示。

熟悉NIO编程都应该知道这个Selector，我们可以通过轮询它来获取监听事件，然后通过事件来进行不同的处理，比如OP_ACCEPT连接，OP_READ读取数据等等。

这样简单的处理对于客户端是没什么问题，但对于服务端来说就有些缺点了。在服务端，我们要求读取请求、处理请求以及发送响应各个环节必须能迅速完成，并且要尽可能做到互不影响。所以我们就需要对上述简单的模型进行修改。

为了满足高并发的需求，也为了充分利用服务器的资源，我们对上述的架构稍作调整，将网络读写的逻辑与业务处理的逻辑进行拆分，让其由不同的线程池来处理，如图所示。

如果不想看本文下面这个很挫的Reactor模型，可以直接看Kafka的源码 ~ 如果需要稍微借助一点中文注释，我已经标注了十分多的注释~ 可以直接看这个版本，基于Kafka0.10.0.1的源码解读 ，当然也可以直接去看官方版本。

SocketServer就是它的入口。

其中，内部类 Acceptor 负责建立并配置新连接

内部类 Processor 负责处理IO事件。

KafkaRequestHandler 这个类负责业务的处理。

而业务处理和IO之间的桥则是 RequestChannel。

事先声明，以下这个很挫（但也简单）的Reactor模型只是保证它能用，而且思路和Kafka大致一致，并没有去做很多的异常处理！！很多细节地方也做得不是很到位。

3.1 回忆一下selector是怎么用的

 //1. 获取服务端通道 ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open(); ssChannel.bind(new InetSocketAddress(9898)); //2. 设置为非阻塞模式 ssChannel.configureBlocking(false); //3. 打开一个监听器 Selector selector = Selector.open(); //4. 向监听器注册接收事件 ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); while (selector.select() > 0) { //5. 获取监听器上所有的监听事件值 Iterator it = selector.selectedKeys().iterator(); //6. 如果有值 while (it.hasNext()) { //7. 取到SelectionKey SelectionKey key = it.next(); //8. 根据key值判断对应的事件 if (key.isAcceptable()) { //9. 接入处理 SocketChannel socketChannel = ssChannel.accept(); socketChannel.configureBlocking(false); socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } else if (key.isReadable()) { //10. 可读事件处理 SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); readMsg(channel); } //11. 移除当前key it.remove(); } } 

这就是我们上面提到的第一张图的模型，我们发现它的IO操作和业务处理是杂糅在一起的。当然我们简单的做可以使用一个业务处理的线程池负责处理业务。

但是我们这里是要去实现第二个图的模型~

3.2 实现负责建立连接的Acceptor

• 在 Acceptor 中监听端口

 public Acceptor(InetSocketAddress inetSocketAddress, Processor[] processors) throws IOException { ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); serverSocketChannel.configureBlocking(false); serverSocketChannel.socket() .bind(inetSocketAddress); this.serverSocketChannel = serverSocketChannel; this.selector = Selector.open(); this.processors = processors;// 先忽略这个东西 = = } 

• 注册 OP_ACCEPT 事件，并且不断轮询进行连接的建立，kafka在初始化中大量使用了CountdownLaunch来确保初始化的成功，这里偷懒省去这一步骤。

@Override public void run() { if (init) { System.out.println("已可以开始建立连接"); init = false; } try { serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); } catch (ClosedChannelException e) { e.printStackTrace(); } int currentProcessors = 0; while (true) { try { int ready = selector.select(500); // 半秒轮询一次 if (ready > 0) { Iterator selectiOnKeys= selector.selectedKeys() .iterator(); while (selectionKeys.hasNext()) { SelectionKey selectiOnKey= selectionKeys.next(); selectionKeys.remove(); if (selectionKey.isAcceptable()) { this.accept(selectionKey, processors[currentProcessors]); currentProcessors = (currentProcessors + 1) % processors.length; } else { throw new RuntimeException("不应该出现的情况，因为只订阅了OP_ACCEPT"); } } } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } // 建立连接，并且使用RoundRobin分配给一个Processor，也就是负责IO的角色 public void accept(SelectionKey selectionKey, Processor processor) throws IOException { SelectableChannel channel = selectionKey.channel(); SocketChannel socketChannel = ((ServerSocketChannel) channel).accept(); socketChannel.configureBlocking(false); socketChannel.socket() .setTcpNoDelay(true); socketChannel.socket() .setKeepAlive(true); // 将需要连接的socketChannel转交给processor去处理 processor.accept(socketChannel); } 

3.3 实现负责处理IO的Processor

• 新连接进来后的处理：这里只是简单将新建立的连接放在了newConnection中。

 public Processor(String name, RequestChannel requestChannel, ConcurrentHashMap> inFlightResponse) throws IOException { this.name = name; this.newCOnnection= new ConcurrentLinkedQueue<>(); this.selector = Selector.open(); this.inFlightRespOnse= inFlightResponse; this.requestChannel = requestChannel; } protected void accept(SocketChannel socketChannel) { try { System.out.println(name + "正在与" + socketChannel.getLocalAddress() + "建立连接"); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } newConnection.add(socketChannel); // 还需要wakeUp，如果轮询阻塞了，告诉它可以不阻塞了 selector.wakeup(); } 

• 处理newConnection，并注册OP_READ，等待客户端传输数据

 @Override public void run() { while (true) { /* * 处理新链接 */ while (!newConnection.isEmpty()) { SocketChannel socketChannel = newConnection.poll(); try { socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } catch (ClosedChannelException e) { e.printStackTrace(); } } 

新接收到的数据，我们会将其丢进 RequestChannel，并取消关注OP_READ，保证不会让多个请求同时进来。

requestChannel.sendRequest(new Request(selectionKey, byteBuffer));// 接受完数据后，把数据丢进队列

而最新处理完的数据，我们则会将其缓存在 inFlightRequest ，并关注OP_WIRTE。这是仿照 Kafka 的 inFlightRequest 做的，当然做得很粗糙。

Kafka 的 inFlightRequest 是将对应每个节点请求/应答的请求和响应放在了队列中，确保在同一时间段内，一个节点只会有一个请求和应答。这也巧妙的避开了拆包粘包问题，首先 Kafka 保证了不会同时对一个节点发送请求，其次，Kafka 使用了自定的协议（其实就是包头上标明了整个包的长度再加上CRC校验）来保证一次请求的完整性。

我们的Selector轮询中，会将刚才在上一步中关注了OP_WRITE的SelectionKey连同要返回的数据一同拿出，并进行处理，处理完成后，取消关注OP_WRITE，并重新关注OP_READ。

• 处理新请求与新应答，我们将READ事件和WRITE事件放在了Processor来进行。

 /* * 将新应答放入缓冲队列 */ Response respOnse= requestChannel.receiveResponse(); while (response != null) { SelectionKey key = response.getSelectionKey(); key.interestOps(key.interestOps() | SelectionKey.OP_WRITE); ArrayBlockingQueue inFlight = inFlightResponse.getOrDefault(response.getSelectionKey(), new ArrayBlockingQueue<>(100)); inFlightResponse.put(response.getSelectionKey(), inFlight); try { inFlight.put(response.getByteBuffer()); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } respOnse= requestChannel.receiveResponse(); } int ready = selector.select(500);// 半秒轮询一次 if (ready > 0) { Iterator selectiOnKeys= selector.selectedKeys() .iterator(); while (selectionKeys.hasNext()) { SelectionKey selectiOnKey= selectionKeys.next(); selectionKeys.remove(); /* * 处理新请求 */ if (selectionKey.isReadable()) { System.out.println(name + "正在处理新请求"); SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel(); ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);// 懒得定协议，就默认取这么多吧 = = socketChannel.read(byteBuffer);// TODO 划重点 byteBuffer.flip(); requestChannel.sendRequest(new Request(selectionKey, byteBuffer));// 接受完数据后，把数据丢进队列 selectionKey.interestOps(selectionKey.interestOps() & ~SelectionKey.OP_READ);// 不再关注read } /* * 处理新应答 */ if (selectionKey.isWritable()) { System.out.println(name + "正在处理新应答"); ByteBuffer send = inFlightResponse.get(selectionKey)// // TODO 划重点 .poll(); SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel(); socketChannel.write(send); selectionKey.interestOps(selectionKey.interestOps() & ~SelectionKey.OP_WRITE); selectionKey.interestOps(selectionKey.interestOps() | SelectionKey.OP_READ); } } } 

• RequestChannel的实现实际上十分简单..就是两个队列

 /** * Created by Anur IjuoKaruKas on 2018/12/13 */ public class RequestChannel { private ArrayBlockingQueue requestQueue; private ArrayBlockingQueue responseQueue; public RequestChannel() { requestQueue = new ArrayBlockingQueue<>(100); respOnseQueue= new ArrayBlockingQueue<>(100); } .......... } 

3.4 实现负责处理业务的Handler

很容易想到，Handler 实际上就是负责从 RequestChannel 的 requestQueue 中拉取需要处理的数据，并塞回 RequestChannel 的 responseQueue 中。

我们可以根据接收数据的不同，来进行不同的业务处理。甚至如果需要拓展，这里可以像 netty 一样，仅仅把 Handler 当成Boss，具体业务的执行可以创建相应的线程池去进行处理，比如说 Fetch 业务比较耗时，我可以创建一个较大的线程池，去执行Fetch业务，而 Hello 业务，我们只需要 Executors.newSingleThreadExecutor() 即可。

 @Override public void run() { while (true) { Request request = requestChannel.receiveRequest(); if (request != null) { System.out.println("接收的请求将由" + name + "进行处理"); handler(request.getSelectionKey(), request.getByteBuffer()); } } } public void handler(SelectionKey selectionKey, ByteBuffer byteBuffer) { byte[] bytes = byteBuffer.array(); String msg = new String(bytes); try { Thread.sleep(500); // 模拟业务处理 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } ByteBuffer response; if (msg.startsWith("Fetch")) { respOnse= ByteBuffer.allocate(2048); response.put("Fetch ~~~~~~~~~~".getBytes()); response.put(bytes); response.flip(); } else if (msg.startsWith("Hello")) { respOnse= ByteBuffer.allocate(2048); response.put("Hi ~~~~~~~~~~".getBytes()); response.put(bytes); response.flip(); } else { respOnse= ByteBuffer.allocate(2048); response.put("Woww ~~~~~~~~~~".getBytes()); response.put(bytes); response.flip(); } System.out.println(name + "处理完毕，正将处理结果返回给Processor"); requestChannel.sendResponse(new Response(selectionKey, response)); } 

3.5 运行我们很挫的模型

我们会发现现在这个很挫的 Reactor 模型的拓展性却很好，大头的两个 Processor 和 Handler 都是可以随意拓展数量的。Kafka 也是这么做的，不过 Kafka 是根据服务器核心的数量来创建 processor 和 handler 的：

// processors的创建 val protocol = endpoint.protocolType // 网络协议 val processorEndIndex = processorBeginIndex + numProcessorThreads for (i <- processorBeginIndex until processorEndIndex) processors(i) = newProcessor(i, connectionQuotas, protocol) // 创建Processor // 在这里面会 // 循环启动processor线程 val acceptor = new Acceptor(endpoint, sendBufferSize, recvBufferSize, brokerId, processors.slice(processorBeginIndex, processorEndIndex), connectionQuotas) // 创建Acceptor // handlers的创建 // 保存KafkaRequestHandler的执行线程 val threads = new Array[Thread](numThreads) // KafkaRequestHandler集合 val runnables = new Array[KafkaRequestHandler](numThreads) for (i <- 0 until numThreads) { runnables(i) = new KafkaRequestHandler(i, brokerId, aggregateIdleMeter, numThreads, requestChannel, apis) threads(i) = Utils.daemonThread("kafka-request-handler-" + i, runnables(i)) threads(i).start() } 

这里进行简单处理，我将所有的东西统统扔进一个线程池。

运行一下我们的整个模型，然后我们使用 Hercules 模拟客户端对我们的服务器进行请求。

/** * Created by Anur IjuoKaruKas on 2018/12/12 */ public class Reactor { public static final int PORT = 9999; public static void main(String[] args) throws IOException { RequestChannel requestChannel = new RequestChannel(); ConcurrentHashMap> inFlightRespOnse= new ConcurrentHashMap<>(); Processor processor1 = new Processor("p1", requestChannel, inFlightResponse); Processor processor2 = new Processor("p2", requestChannel, inFlightResponse); Acceptor acceptor = new Acceptor(new InetSocketAddress(PORT), new Processor[] { processor1, processor2 }); ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10); executorService.execute(acceptor); executorService.execute(processor1); executorService.execute(processor2); Handler handler1 = new Handler("h1", requestChannel); Handler handler2 = new Handler("h2", requestChannel); executorService.execute(handler1); executorService.execute(handler2); } } 

建立连接后，我们模拟两个客户端，依次发送 ‘hello baby’，‘Fetch msg’ 和 ‘感谢gaojingyu_gw发现问题’。

得到如下响应：

并且服务器日志如下：

我们发现，p1和p2会交替从Acceptor中获取新的连接。h1和h2也交替会从RequestChannel中获取任务来进行执行~

另外额外感谢gaojingyu_gw发现问题，反馈无法建立更多连接。博主来来回回看了很多个地方，终于发现原版的代码确实无法建立更多的连接，Acceptor、Processor中的轮询代码有误，错误代码如下：

 Set selectiOnKeys= selector.selectedKeys(); for (SelectionKey selectionKey : selectionKeys) { if (selectionKey.isAcceptable()) { this.accept(selectionKey, processors[currentProcessors]); currentProcessors = (currentProcessors + 1) % processors.length; } else { throw new RuntimeException("不应该出现的情况，因为只订阅了OP_ACCEPT"); } } 

我们在循环selectionKeys的时候，不能直接循环。我们需要获得其迭代器，并在每次获得迭代器的下一个元素时，将这个元素移除。为什么不能直接循环：

 Keys are added to the selected-key set by selection operations. A key may be removed directly from the selected-key set by invoking the set's remove method or by invoking the remove method of an iterator obtained from the set. Keys are never removed from the selected-key set in any other way; they are not, in particular, removed as a side effect of selection operations. Keys may not be added directly to the selected-key set. 

正确代码如下：

 Iterator selectiOnKeys= selector.selectedKeys().iterator(); while (selectionKeys.hasNext()) { SelectionKey selectiOnKey= selectionKeys.next(); selectionKeys.remove(); if (selectionKey.isAcceptable()) { this.accept(selectionKey, processors[currentProcessors]); currentProcessors = (currentProcessors + 1) % processors.length; } else { throw new RuntimeException("不应该出现的情况，因为只订阅了OP_ACCEPT"); } } 

具体的代码请点击这里，直接拉取下来即可运行，运行的主类是 src/reactor/Reactor

觉得好的话可以顺手为文章点个赞哟~谢谢各位看官老爷!

参考文献：

《Apeche Kafka源码剖析》—— 徐郡明著

Kafka 源码 0.10.0.1