兩種高性能 I/O 設(shè)計模式 Reactor 和 Proactor

流曲頻陽 2016-11-02

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Reactor 和 Proactor 是基于事件驅(qū)動，在網(wǎng)絡編程中經(jīng)常用到兩種設(shè)計模式。

曾經(jīng)在一個項目中用到了網(wǎng)絡庫 libevent，也學習了一段時間，其內(nèi)部實現(xiàn)所用到的就是 Reactor，所知道的還有 ACE；Proactor 模式的庫有 Boost.Asio，ACE，暫時沒有用過。但我也翻閱了一些文檔，理解了它的實現(xiàn)方法。下面是我在學習這兩種設(shè)計模式過程的筆記。

Reactor

Reactor，即反應堆。Reactor 的一般工作過程是首先在 Reactor 中注冊（Reactor）感興趣事件，并在注冊時候指定某個已定義的回調(diào)函數(shù)（callback）；當客戶端發(fā)送請求時，在 Reactor 中會觸發(fā)剛才注冊的事件，并調(diào)用對應的處理函數(shù)。在這一個處理回調(diào)函數(shù)中，一般會有數(shù)據(jù)接收、處理、回復請求等操作。

libevent 采用的就是 Reactor 的設(shè)計思想。其 Reactor 的中心思想是眾所周知的 I/O 多路復用：select,poll,epoll,kqueue 等.libevent 精彩的將定時事件，信號處理，I/O 事件結(jié)合在在一起，也就是說用戶同時在 Reactor 中注冊上述三類事件。遺憾的是，libevent 不支持多線程，也就是說它同步處理請求，導致不能處理大量的請求；這樣并不是說 Reactor 實現(xiàn)的網(wǎng)絡庫都不支持多線程，而是 libevent 本身的原因，我們也可以通過修改讓 ilbevent 支持多線程，并發(fā)處理多個請求。

下面是 libevent 的一段代碼，大概能夠說明 Reactor 工作模式：

/*accept callback function.*/

void accept_callback(int fd,

short ev,void *arg)

{

......

}

......

struct event accept_event;

event_set(&accept_event,

socketlisten,

EV_READ|EV_PERSIST,

accept_callback,

NULL);

event_add(&accept_event,

NULL);

event_dispatch();

Proactor

從上面 Reactor 模式中，發(fā)現(xiàn)服務端數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送都占用了用戶狀態(tài)（還有一種內(nèi)核態(tài)），這樣服務器的處理操作就在數(shù)據(jù)的讀寫上阻塞花費了時間，節(jié)省這些時間的辦法是借助操作系統(tǒng)的異步讀寫；異步讀寫在調(diào)用的時候可以傳遞回調(diào)函數(shù)或者回送信號，當異步操作完畢，內(nèi)核會自動調(diào)用回調(diào)函數(shù)或者發(fā)送信號。Proactor 就是這么做的，所以很依賴操作系統(tǒng)。來一幅 UML：

和時序圖：

注：這兩幅美艷的圖片來自 Proactor.doc，下面會提到.

Proactor 的實現(xiàn)主要有三個部分：異步操作處理器，Proactor 和事件處理函數(shù)。其中：

- 異步操作處理器，很依賴操作系統(tǒng)的異步處理機制，如若操作系統(tǒng)沒有實現(xiàn)，我們可以自行模擬，即開專門的數(shù)據(jù)讀寫線程，數(shù)據(jù)讀寫完畢觸發(fā)相應的時間（如果有注冊的話）；
- Proactor，會接收異步操作的提醒，調(diào)用相應的事件處理函數(shù)，它有自己的 event loop；
- 事件處理函數(shù)，事件觸發(fā)，執(zhí)行操作；

曾經(jīng)看過 Proactor.doc，作者是 Douglas C. Schmidt，你可以在這里閱讀此文檔。里面的關(guān)于 Proactor 的講解很精彩，部分摘抄和自己的理解如下：當連接 web 服務器時：

web 服務器指定（1）接收器，此接收器相當于服務器的客戶端，它可以啟動異步的 accept 操作；
接收器調(diào)用操作系統(tǒng)上的異步接收操作（2），并傳遞自己和 Proactor 的引用；異步接收操作結(jié)束后，前者用作事件處理函數(shù)，后者會回過頭來分發(fā)事件；注：傳遞 Proactor 是為了讓操作系統(tǒng)通知正確的 Proactor，可能會存在多個 Proactor；傳遞接收器自己是為了在異步接收操作結(jié)束后 Proactor 能調(diào)用正確的事件處理函數(shù)，以下同理。
web 服務器調(diào)用 Proactor 的事件循環(huán)；（3）
web 瀏覽器連接 web 服務器；（4）
異步接收操作結(jié)束后，操作系統(tǒng)產(chǎn)生事件（通過回調(diào)或者信號）并通知 Proactor（5），Proactor 收到后會調(diào)用相應的事件處理函數(shù)，即交由接收器處理；（6）
接收器生成 HTTP 處理器，執(zhí)行操作；（7）
HTTP 處理器解析事件，啟動異步讀操作（8），獲取來自瀏覽器的 GET 請求。同樣，HTTP 處理器傳遞自己和 Proactor 的引用；
web 服務器的控制權(quán)交還回 Proactor 的事件循環(huán)。（9）

接收 GET 請求過后，會處理數(shù)據(jù)：

瀏覽器發(fā)送（1）一個 HTTP GET 請求；
異步讀操作結(jié)束后，操作系統(tǒng)會通知 Proactor，Proactor 分發(fā)給事件處理函數(shù)；（2，3）
事件處理器解析請求。（4）2-4 步驟會重復，指導所有的數(shù)據(jù)都接收為止；
事件處理器產(chǎn)生答復數(shù)據(jù)；（5）
HTTP 處理器啟動異步寫操作（6），傳輸應答數(shù)據(jù)，同樣的這里還會傳遞處理器自己和 Proactor；
異步寫操作結(jié)束，操作系統(tǒng)通知 Proactor（7），Proactor 分發(fā)給事件處理函數(shù)（8）。6-8 步驟會重復直到所有的數(shù)據(jù)寫完為止。至此，一個請求回復完成。

總結(jié)

相比網(wǎng)絡編程中最簡單的思路模式：bind,listen,accept,read,server operator,write，Reactor 和 Proactor 是兩種高性能的設(shè)計模式，掌握此兩種模式，有助于理解一些網(wǎng)絡庫的工作流程。此文提到了兩種設(shè)計模式，但沒有一些技術(shù)細節(jié)，譬如多線程同步。如果在 Reactor 中支持多線程，或多個線程共享一個 Proactor，線程的同步問題就來了。共享一篇印象筆記關(guān)于線程的綜合討論：這里.

《Comparing Two High-Performance I/O Design Patterns》提到一個將 Reactor 模擬 Proactor 而不借助操作系統(tǒng)異步機制的方法：同樣在 Reactor 注冊感興趣的事件（比如讀），當事件發(fā)生時，執(zhí)行非阻塞的讀，讀畢即才調(diào)用數(shù)據(jù)處理——假異步。

最后，實踐出真知。歡迎討論。

參考：

- Proactor.pdf，http://www./pub/sag/proactor.pdf

- 《Comparing Two High-Performance I/O Design Patterns》，http://www./articles/io_design_patterns.html

- 《libevent源碼深度剖析》，http://blog.csdn.net/sparkliang/article/details/4957667

- 《 IO - 同步，異步，阻塞，非阻塞（亡羊補牢篇）》，http://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378