两种高效的服务器设计模型：Reactor和Proactor模型

Reactor模型

Reactor模式是处理并发I/O比较常见的一种模式，用于同步I/O，中心思想是将全部要处理的I/O事件注册到一个中心I/O多路复用器上，同时主线程/进程阻塞在多路复用器上；一旦有I/O事件到来或是准备就绪(文件描述符或socket可读、写)，多路复用器返回并将事先注册的相应I/O事件分发到对应的处理器中。

　　Reactor是一种事件驱动机制，和普通函数调用的不一样之处在于：应用程序不是主动的调用某个API完成处理，而是偏偏相反，Reactor逆置了事件处理流程，应用程序须要提供相应的接口并注册到Reactor上，若是相应的事件发生，Reactor将主动调用应用程序注册的接口，这些接口又称为“回调函数”。用“好莱坞原则”来形容Reactor再合适不过了：不要打电话给咱们，咱们会打电话通知你。

Reactor模式与Observer模式在某些方面极为类似：当一个主体发生改变时，全部依属体都获得通知。不过，观察者模式与单个事件源关联，而反应器模式则与多个事件源关联 。

在Reactor模式中，有5个关键的参与者：

• 描述符（handle）：由操做系统提供的资源，用于识别每个事件，如Socket描述符、文件描述符、信号的值等。在Linux中，它用一个整数来表示。事件能够来自外部，如来自客户端的链接请求、数据等。事件也能够来自内部，如信号、定时器事件。
• 同步事件多路分离器（event demultiplexer）：事件的到来是随机的、异步的，没法预知程序什么时候收到一个客户链接请求或收到一个信号。因此程序要循环等待并处理事件，这就是事件循环。在事件循环中，等待事件通常使用I/O复用技术实现。在linux系统上通常是select、poll、epol_waitl等系统调用，用来等待一个或多个事件的发生。I/O框架库通常将各类I/O复用系统调用封装成统一的接口，称为事件多路分离器。调用者会被阻塞，直到分离器分离的描述符集上有事件发生。
• 事件处理器（event handler）：I/O框架库提供的事件处理器一般是由一个或多个模板函数组成的接口。这些模板函数描述了和应用程序相关的对某个事件的操做，用户须要继承它来实现本身的事件处理器，即具体事件处理器。所以，事件处理器中的回调函数通常声明为虚函数，以支持用户拓展。
• 具体的事件处理器（concrete event handler）：是事件处理器接口的实现。它实现了应用程序提供的某个服务。每一个具体的事件处理器总和一个描述符相关。它使用描述符来识别事件、识别应用程序提供的服务。
• Reactor 管理器（reactor）：定义了一些接口，用于应用程序控制事件调度，以及应用程序注册、删除事件处理器和相关的描述符。它是事件处理器的调度核心。 Reactor管理器使用同步事件分离器来等待事件的发生。一旦事件发生，Reactor管理器先是分离每一个事件，而后调度事件处理器，最后调用相关的模 板函数来处理这个事件。

能够看出，是Reactor管理器并非应用程序负责等待事件、分离事件和调度事件。Reactor并无被具体的事件处理器调度，而是管理器调度具体的事件处理器，由事件处理器对发生的事件做出处理，这就是Hollywood原则。应用程序要作的仅仅是实现一个具体的事件处理器，而后把它注册到Reactor管理器中。接下来的工做由管理器来完成：若是有相应的事件发生，Reactor会主动调用具体的事件处理器，由事件处理器对发生的事件做出处理。

应用场景

场景： 长途客车在路途上，有人上车有人下车，可是乘客老是但愿可以在客车上获得休息。

传统作法： 每隔一段时间（或每个站），司机或售票员对每个乘客询问是否下车。

Reactor作法：汽车是乘客访问的主体（Reactor），乘客上车后，到售票员（acceptor）处登记，以后乘客即可以休息睡觉去了，当到达乘客所要到达的目的地时（指定的事件发生，乘客到了下车地点），售票员将其唤醒便可。

为何使用Reactor

网络编程为何要用反应堆？有了I/O复用，有了epoll已经可使服务器并发几十万链接的同时，维持高TPS了，难道这还不够吗？

答案是，技术层面足够了，但在软件工程层面倒是不够的。

程序使用IO复用的难点在哪里呢？

1个请求可能由屡次IO处理完成，但相比传统的单线程完整处理请求生命期的方法，IO复用在人的大脑思惟中并不天然，由于，程序员编程中，处理请求A的时候，假定A请求必须通过多个IO操做A1-An（两次IO间可能间隔很长时间），每通过一次IO操做，再调用IO复用时，IO复用的调用返回里，很是可能再也不有A，而是返回了请求B。即请求A会常常被请求B打断，处理请求B时，又被C打断。这种思惟下，编程容易出错。

形象例子：

传统编程方法就好像是到了银行营业厅里，每一个窗口前排了长队，业务员们在窗口后一个个的解决客户们的请求。一个业务员能够尽情思考着客户A依次提出的问题，例如：

“我要买2万XX理财产品。“

“看清楚了，5万起售。”

“等等，查下我活期余额。”

“余额5万。”

“那就买 5万吧。”

业务员开始录入信息。

”对了，XX理财产品年利率8%？”

“是预期8%，最低无利息保本。“

”早不说，拜拜，我去买余额宝。“

业务员无表情的删着已经录入的信息进行事务回滚。

”下一个！“

用了IO复用则是大师业务员开始挑战极限，在超大营业厅里给客户们人手一个牌子，黑压压的客户们都在大厅中，有问题时举牌申请提问，大师目光敏锐点名指定某人提问，该客户迅速获得大师的答复后，要通过一段时间思考，查查本身的银袋子，咨询下LD，才能再次进行下一个提问，直到获得完整的满意答复退出大厅。例如：大师刚指导A填写转账单的某一项，B又来申请兑换泰铢，给了B兑换单后，C又来办理定转活，而后D与F在争抢有限的圆珠笔时出现了不和谐现象，被大师叫停业务，暂时等待。

这就是基于事件驱动的IO复用编程比起传统1线程1请求的方式来，有难度的设计点了，客户们都是上帝，既不能出错，还不能厚此薄彼。

当没有反应堆时，咱们可能的设计方法是这样的：大师把每一个客户的提问都记录下来，当客户A提问时，首先查阅A以前问过什么作过什么，这叫联系上下文，而后再根据上下文和当前提问查阅有关的银行规章制度，有针对性的回答A，并把回答也记录下来。当圆满回答了A的全部问题后，删除A的全部记录。

在程序中：

某一瞬间，服务器共有10万个并发链接，此时，一次IO复用接口的调用返回了100个活跃的链接等待处理。先根据这100个链接找出其对应的对象，这并不难，epoll的返回链接数据结构里就有这样的指针能够用。接着，循环的处理每个链接，找出这个对象此刻的上下文状态，再使用read、write这样的网络IO获取这次的操做内容，结合上下文状态查询此时应当选择哪一个业务方法处理，调用相应方法完成操做后，若请求结束，则删除对象及其上下文。

这样，咱们就陷入了面向过程编程方法之中了，在面向应用、快速响应为王的移动互联网时代，这样作迟早得把本身玩死。咱们的主程序须要关注各类不一样类型的请求，在不一样状态下，对于不一样的请求命令选择不一样的业务处理方法。这会致使随着请求类型的增长，请求状态的增长，请求命令的增长，主程序复杂度快速膨胀，致使维护愈来愈困难，苦逼的程序员不再敢轻易接新需求、重构。

反应堆是解决上述软件工程问题的一种途径，它也许并不优雅，开发效率上也不是最高的，但其执行效率与面向过程的使用IO复用却几乎是等价的，因此，不管是nginx、memcached、redis等等这些高性能组件的代名词，都义无反顾的一头扎进了反应堆的怀抱中。

反应堆模式能够在软件工程层面，将事件驱动框架分离出具体业务，将不一样类型请求之间用OO的思想分离。一般，反应堆不只使用IO复用处理网络事件驱动，还会实现定时器来处理时间事件的驱动（请求的超时处理或者定时任务的处理），就像下面的示意图：

这幅图有5点意思：

（1）处理应用时基于OO思想，不一样的类型的请求处理间是分离的。例如，A类型请求是用户注册请求，B类型请求是查询用户头像，那么当咱们把用户头像新增多种分辨率图片时，更改B类型请求的代码处理逻辑时，彻底不涉及A类型请求代码的修改。

（2）应用处理请求的逻辑，与事件分发框架彻底分离。什么意思呢？即写应用处理时，不用去管什么时候调用IO复用，不用去管什么调用epoll_wait，去处理它返回的多个socket链接。应用代码中，只关心如何读取、发送socket上的数据，如何处理业务逻辑。事件分发框架有一个抽象的事件接口，全部的应用必须实现抽象的事件接口，经过这种抽象才把应用与框架进行分离。

（3）反应堆上提供注册、移除事件方法，供应用代码使用，而分发事件方法，一般是循环的调用而已，是否提供给应用代码调用，仍是由框架简单粗暴的直接循环使用，这是框架的自由。

（4）IO多路复用也是一个抽象，它能够是具体的select，也能够是epoll，它们只必须提供采集到某一瞬间全部待监控链接中活跃的链接。

（5）定时器也是由反应堆对象使用，它必须至少提供4个方法，包括添加、删除定时器事件，这该由应用代码调用。最近超时时间是须要的，这会被反应堆对象使用，用于确认select或者epoll_wait执行时的阻塞超时时间，防止IO的等待影响了定时事件的处理。遍历也是由反应堆框架使用，用于处理定时事件。

Reactor的几种模式

参考资料：Scalable IO in Java

在web服务中，不少都涉及基本的操做：read request、decode request、process service、encod reply、send reply等。

一、单线程模式

这是最简单的单Reactor单线程模型。Reactor线程是个多面手，负责多路分离套接字，Accept新链接，并分派请求处处理器链中。该模型适用于处理器链中业务处理组件能快速完成的场景。不过这种单线程模型不能充分利用多核资源，因此实际使用的很少。

二、多线程模式（单Reactor）

该模型在事件处理器（Handler）链部分采用了多线程（线程池），也是后端程序经常使用的模型。

三、多线程模式（多个Reactor）

比起第二种模型，它是将Reactor分红两部分，mainReactor负责监听并accept新链接，而后将创建的socket经过多路复用器（Acceptor）分派给subReactor。subReactor负责多路分离已链接的socket，读写网络数据；业务处理功能，其交给worker线程池完成。一般，subReactor个数上可与CPU个数等同。

Proacotr模型

Proactor是和异步I/O相关的。

在Reactor模式中，事件分离者等待某个事件或者可应用或个操做的状态发生（好比文件描述符可读写，或者是socket可读写），事件分离器就把这个事件传给事先注册的处理器（事件处理函数或者回调函数），由后者来作实际的读写操做。

在Proactor模式中，事件处理者(或者代由事件分离者发起)直接发起一个异步读写操做(至关于请求)，而实际的工做是由操做系统来完成的。发起时，须要提供的参数包括用于存放读到数据的缓存区，读的数据大小，或者用于存放外发数据的缓存区，以及这个请求完后的回调函数等信息。事件分离者得知了这个请求，它默默等待这个请求的完成，而后转发完成事件给相应的事件处理者或者回调。

能够看出二者的区别：Reactor是在事件发生时就通知事先注册的事件（读写由处理函数完成）；Proactor是在事件发生时进行异步I/O（读写由OS完成），待IO完成事件分离器才调度处理器来处理。

举个例子，将有助于理解Reactor与Proactor两者的差别，以读操做为例（类操做相似）。

在Reactor（同步）中实现读：

- 注册读就绪事件和相应的事件处理器

- 事件分离器等待事件

- 事件到来，激活分离器，分离器调用事件对应的处理器。

- 事件处理器完成实际的读操做，处理读到的数据，注册新的事件，而后返还控制权。

Proactor（异步）中的读：

- 处理器发起异步读操做（注意：操做系统必须支持异步IO）。在这种状况下，处理器无视IO就绪事件，它关注的是完成事件。

- 事件分离器等待操做完成事件

- 在分离器等待过程当中，操做系统利用并行的内核线程执行实际的读操做，并将结果数据存入用户自定义缓冲区，最后通知事件分离器读操做完成。

- 事件分离器呼唤处理器。

- 事件处理器处理用户自定义缓冲区中的数据，而后启动一个新的异步操做，并将控制权返回事件分离器。

现行作法

开源C++框架：ACE

开源C++开发框架 ACE 提供了大量平台独立的底层并发支持类(线程、互斥量等)。 同时在更高一层它也提供了独立的几组C++类，用于实现Reactor及Proactor模式。 尽管它们都是平台独立的单元，但他们都提供了不一样的接口。ACE Proactor在MS-Windows上不管是性能还在健壮性都更胜一筹，这主要是因为Windows提供了一系列高效的底层异步API。(这段可能过期了点吧) 不幸的是，并非全部操做系统都为底层异步提供健壮的支持。举例来讲， 许多Unix系统就有麻烦。所以， ACE Reactor多是Unix系统上更合适的解决方案。 正由于系统底层的支持力度不一，为了在各系统上有更好的性能，开发者不得不维护独立的好几份代码: 为Windows准备的ACE Proactor以及为Unix系列提供的ACE Reactor。真正的异步模式须要操做系统级别的支持。因为事件处理者及操做系统交互的差别，为Reactor和Proactor设计一种通用统一的外部接口是很是困难的。这也是设计通行开发框架的难点所在。

ACE是一个大型的中间件产品，代码20万行左右，过于宏大，一堆的设计模式，架构了一层又一层，使用的时候，要根据状况，看从那一层来进行使用。支持跨平台。

设计模式 ：ACE主要应用了Reactor,Proactor等；

层次架构 ：ACE底层是C风格的OS适配层，上一层基于C++的wrap类，再上一层是一些框架 (Accpetor,Connector,Reactor,Proactor等)，最上一层是框架上服务；

可移植性 ：ACE支持多种平台，可移植性不存在问题，听说socket编程在linux下有很多bugs；

事件分派处理 ：ACE主要是注册handler类，当事件分派时，调用其handler的虚挂勾函数。实现 ACE_Handler/ACE_Svc_Handler/ACE_Event_handler等类的虚函数；

涉及范围 ：ACE包含了日志，IPC,线程池，共享内存，配置服务，递归锁，定时器等；

线程调度 ：ACE的Reactor是单线程调度，Proactor支持多线程调度；

发布方式 ：ACE是开源免费的，不依赖于第三方库，通常应用使用它时，以动态连接的方式发布动态库；开发难度 ：基于ACE开发应用，对程序员要求比较高，要用好它，必须很是了解其框架。在其框架下开发，每每new出一个对象，不知在什么地方释放好。

C网络库：libevent

libevent是一个C语言写的网络库，官方主要支持的是类linux操做系统，最新的版本添加了对windows的IOCP的支持。在跨平台方面主要经过select模型来进行支持。

设计模式 ：libevent为Reactor模式；

层次架构：livevent在不一样的操做系统下，作了多路复用模型的抽象，能够选择使用不一样的模型，经过事件函数提供服务；

可移植性 ：libevent主要支持linux平台，freebsd平台，其余平台下经过select模型进行支持，效率不是过高；

事件分派处理 ：libevent基于注册的事件回调函数来实现事件分发；

涉及范围 ：libevent只提供了简单的网络API的封装，线程池，内存池，递归锁等均须要本身实现；

线程调度 ：libevent的线程调度须要本身来注册不一样的事件句柄；

发布方式 ：libevent为开源免费的，通常编译为静态库进行使用；

开发难度 ：基于libevent开发应用，相对容易，具体能够参考memcached这个开源的应用，里面使用了 libevent这个库。

改进方案：模拟异步

在改进方案中，咱们将Reactor原来位于事件处理器内的read/write操做移至分离器(不妨将这个思路称为“模拟异步”)，以此寻求将Reactor多路同步IO转化为模拟异步IO。

以读操做为例子，改进过程以下：

- 注册读就绪事件及其处理器，并为分离器提供数据缓冲区地址，须要读取数据量等信息。

- 分离器等待事件（如在select()上等待）

- 事件到来，激活分离器。分离器执行一个非阻塞读操做（它有完成这个操做所需的所有信息），最后调用对应处理器。

- 事件处理器处理用户自定义缓冲区的数据，注册新的事件（固然一样要给出数据缓冲区地址，须要读取的数据量等信息），最后将控制权返还分离器。

如咱们所见，经过对多路IO模式功能结构的改造，可将Reactor转化为Proactor模式。改造先后，模型实际完成的工做量没有增长，只不过参与者间对工做职责稍加调换。没有工做量的改变，天然不会形成性能的削弱。对以下各步骤的比较，能够证实工做量的恒定：

标准/典型的Reactor：

- 步骤1：等待事件到来（Reactor负责）

- 步骤2：将读就绪事件分发给用户定义的处理器（Reactor负责）

- 步骤3：读数据（用户处理器负责）

- 步骤4：处理数据（用户处理器负责）

改进实现的模拟Proactor：

- 步骤1：等待事件到来（Proactor负责）

- 步骤2：获得读就绪事件，执行读数据（如今由Proactor负责）

- 步骤3：将读完成事件分发给用户处理器（Proactor负责）

- 步骤4：处理数据（用户处理器负责）

对于不提供异步IO API的操做系统来讲，这种办法能够隐藏socket API的交互细节，从而对外暴露一个完整的异步接口。借此，咱们就能够进一步构建彻底可移植的，平台无关的，有通用对外接口的解决方案。上述方案已经由某公司实现为TProactor。它有两个版本：C++和JAVA的。C++版本采用ACE跨平台底层类开发，为全部平台提供了通用统一的主动式异步接口。

Boost.Asio类库

Boost.Asio类库，其就是以Proactor这种设计模式来实现

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