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對於網絡編程而言，一方面需要保證基本功能的正確性，另一方面還需要保證程序的高性能。而網絡程序高性能的主題之一就是網絡IO，不同的IO模型，對程序的性能影響是非常明顯的。
BIO線程模型
對於傳統的網絡框架而言，服務端通常採用的是BIO的通信模型。對於BIO通信模型，它通常使用一個專門的線程來負責接收網絡連接，然後再爲每一個連接單獨創建一個線程來進行數據的讀寫、編解碼、業務處理等操作。其IO模型可以用如下圖表示。
顯然，BIO的通信模型的優缺點很明顯。優點就是程序的代碼簡單，複雜度低，開發人員容易上手。缺點是，對於每一個客戶端連接，服務端都需要爲其創建一個線程來處理數據，當併發較高時，就會創建很多線程，這對服務端而言簡直就是災難。因爲創建太多線程後，系統資源會佔用較高，而且CPU在多個線程之間進行切換時，頻繁的切換上下文，會嚴重影響服務的性能。
既然線程創建太多了，那我們是不是可以使用線程池來解決問題呢？當一個新連接創建好以後，我們不再爲其單獨創建一個連接，而是將其交由線程池來處理，那這種方案是否可行呢？
答案是不行。爲什麼呢？線程池在這裏只能解決線程無限增長的問題，但是在進行讀寫數據時，由於read操作和write操作都是阻塞的，在這段期間，線程會掛起，什麼事情也幹不了。當多個客戶端來連接時，由於線程池中的線程，都阻塞在前面連接的讀寫數據操作上了，此時新來的連接，只能等待，所以對於BIO而言，使用線程池最終還是無法解決高併發的問題。
那麼怎麼辦呢？這個時候NIO出現了，NIO是非阻塞IO。對於NIO而言，服務端和客戶端之間的讀寫數據，不再是阻塞的了。基於NIO實現的網絡框架，它們底層的IO模型通常是基於Reactor模型來實現的。Reactor模型又可以分爲三種：單線程模型、多線程模型、主從多線程模型。
Reactor單線程模型
Reactor單線程模型中，只有一個線程。這個線程既負責客戶端的接入，還負責數據的讀寫、編解碼、業務邏輯處理等工作。IO模型示意圖如下。
Reactor單線程使用的是異步非阻塞IO，所有的讀寫操作都是非阻塞的，因此理論上一個線程可以完成所有的工作。當一個新連接來接入時，通過Acceptor類可以進行TCP的連接，當TCP連接創建完成後，可以通過Dispatcher類將對應的請求數據（即ByteBuffer）派發到指定的Handler上進行編解碼操作，最後再通過該線程將數據發送給客戶端。
對於一個併發量較小的場景，可以使用單線程模型來處理。但是當併發較高時，單線程就無法滿足了。理由如下：
- 一個NIO線程顯然無法支撐多個連接的接入，即便NIO線程的CPU負荷達到100%，也無法滿足海量數據的編解碼、讀取和發送。
- 當CPU負載較高後，處理就會變慢，這樣就會造成大量的客戶端出現連接超時。當客戶端發現連接超時後，又會嘗試進行重新請求，這樣更加會加重NIO線程所在的CPU的負載，最終就會導致系統負載高，處理慢，成爲系統的性能瓶頸。
- 可靠性低。一旦NIO線程因爲處理數據中出現異常，或者進入到死循環，那將導致整個系統不可用。
Reactor多線程模型
爲了解決Reactor單線程模型的問題，Reactor多線程模型出現了。在Reactor多線程模型中，由一個NIO線程來負責客戶端的接入，連接創建完成後，再由一組線程來處理數據的讀寫、編解碼、業務處理等操作。示意圖如下。
在Reactor多線程模型中，由一個單獨的NIO線程來充當Acceptor的角色，它負責監聽服務端的端口，並接收客戶端的連接。然後由一個線程池來處理數據的讀寫、編解碼等操作。線程池可以採用Java中的線程池，它有一個任務隊列和多個NIO線程，因此一個NIO線程可以同時處理多個連接，但是一個連接只屬於一個NIO線程。
Reactor多線程完美的解決了單線程存在的問題，它也幾乎能滿足大部分應用場景。但是由於它只使用一個NIO線程來負責處理新連接的接入，因此在特殊場景下，例如新連接的創建，服務端需要進行安全認證等操作，由於認證可能會耗時較長，這個時候再使用一個線程來負責處理百萬連接，顯然無法滿足要求，這最終會成爲系統的性能瓶頸。
Reactor主從多線程模型
Reactor主從多線程模型則解決了多線程模型的缺點，主從多線程模型中由一組NIO線程來負責處理新連接的接入，另外一組NIO線程來處理IO讀寫、編解碼、業務邏輯處理等操作。因此它是兩個線程池，負責新連接接入的線程池稱之爲主線程池，負責數據讀寫、編解碼操作的線程池稱之爲從線程池。其示意圖如下：
當一個客戶端來連接服務端時，主線程池會從線程池中選擇出一個NIO線程，來充當Acceptor的角色，負責新連接的接入。當連接創建完成後，再將其通過Dispatcher派發到主線程池，由主線程來進行安全認證等操作，當安全認證等操作完成後，會將這個新連接綁定到從線程池的一個NIO線程上，後續則由這個NIO線程來進行數據的讀寫、編解碼等操作。
Netty對Reactor三種線程模型的支持
Netty作爲一款高性能的網絡框架，它底層的網絡IO模型採用了Reactor線程模型。在Netty中，它能很方便的在Reactor三種IO模型中進行切換。下面就來看看它是如何進行切換的。
- 在Netty中使用Reactor單線程模型
- 在Netty中使用Reactor多線程模型
- 在Netty中使用Reactor主從多線程模型
總結
- 本文主要介紹了BIO的IO模型，以及Reactor的三種IO模型，最後通過代碼，簡單演示了在Netty如何使用Reactor三種線程模型。關於BIO、NIO更詳細的介紹，以及BIO、NIO和Netty的代碼示例，可以參考這篇文章：如何從BIO演進到NIO，再到Netty
參考
- 本文參考了李林鋒所編寫的《Netty權威指南》、《Netty進階之路-跟着案例學Netty》、《分佈式服務框架原理與實踐》。
- 文中的圖片來源於極客時間《Netty源碼剖析與實戰》