网络资源整合:Reactor模式的实现方式

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，中心思想是将所有要处理的I/O事件注册到一个中心I/O多路复用器上，同时主线程阻塞在多路复用器上；一旦有I/O事件到来或是准备就绪(区别在于多路复用器是边沿触发还是水平触发)，多路复用器返回并将相应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同之处在于：应用程序不是主动的调用某个API完成处理，而是恰恰相反，Reactor逆置了事件处理流程，应用程序需要提供相应的接口并注册到Reactor上，如果相应的事件发生，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：不要打电话给我们，我们会打电话通知你。

Reactor模式与Observer模式在某些方面极为相似：当一个主体发生改变时，所有依属体都得到通知。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 。

模式框架

1）　Handle

Handle代表操作系统管理的资源，包括：网络链接，打开的文件，计时器，同步对象等等。Linux上是文件描述符，Windows上就是Socket或者Handle了，这里统一称为“句柄集”；程序在指定的句柄上注册关心的事件，比如I/O事件。

2）　Event Demultiplexer

事件分离器，由操作系统提供，在linux上一般是select,poll,epoll等系统调用，在一个Handle集合上等待事件的发生。接受client连接，建立对应client的事件处理器（Event Handler），并向事件分发器（Reactor）注册此事件处理器（Handler）。

3）　Reactor(Initiation Dispatcher)

提供接口：注册，删除和派发Event Handler。Event Demultiplexer等待事件的发生，当检测到新的事件，就把事件交给Initiation Dispatcher，它去回调Event Handler。

4）　Event Handler

事件处理器，负责处理特定事件的处理函数。一般在基本的Handler基础上还会有更进一步的层次划分，用来抽象诸如decode，process和encoder这些过程。比如对Web Server而言，decode通常是HTTP请求的解析，process的过程会进一步涉及到Listner和Servlet的调用。为了简化设计，Event Handler通常被设计成状态机，按GoF的state pattern来实现。

5） Concrete Event Handler

继承上面的类，实现钩子方法。应用把Concrete Event Handler注册到Reactor，等待被处理的事件。当事件发生，这些方法被回调。

事件处理流程

模式模型

应用场景举例

场景：长途客车在路途上，有人上车有人下车，但是乘客总是希望能够在客车上得到休息。

传统做法：每隔一段时间（或每一个站），司机或售票员对每一个乘客询问是否下车。

Reactor做法：汽车是乘客访问的主体（Reactor），乘客上车后，到售票员（acceptor）处登记，之后乘客便可以休息睡觉去了，当到达乘客所要到达的目的地后，售票员将其唤醒即可。

1) 单线程模型

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新连接，并分派请求到处理器链中。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，所以实际使用的不多。

2) 多线程模型（单Reactor）

相比上一种模型，该模型在事件处理器（Handler）链部分采用了多线程（线程池），也是后端程序常用的模型。

3) 多线程模型（多Reactor）

这个模型比起第二种模型，它是将Reactor分成两部分，mainReactor负责监听并accept新连接，然后将建立的socket通过多路复用器（Acceptor）分派给subReactor。subReactor负责多路分离已连接的socket，读写网络数据；业务处理功能，其交给worker线程池完成。通常，subReactor个数上可与CPU个数等同。

优缺点

优点

• 响应快，不必为单个同步时间所阻塞，虽然Reactor本身依然是同步的；

• 编程相对简单，可以最大程度的避免复杂的多线程及同步问题，并且避免了多线程/进程的切换开销；

• 可扩展性，可以方便的通过增加Reactor实例个数来充分利用CPU资源；

• 可复用性，Reactor框架本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性；

缺点

• 应用受限制：Reactor模式只能应用在支持Handle的操作系统上。虽然可以使用多线程模拟Reactor，但因为同步控制和上下文切换的要求，这种实现效率低，与Reactor模式出发点相违背。

• 非抢占模式：在单线程的实现这种情况下，事件的处理必须不能使用阻塞的I/O，因此，如果存在长期操作，比如传输大量的数据。使用主动对象，效率可能更好，主动对象可以并发的处理这些任务。

• 难以调试：使用Reactor模式的应用程序可能会难以调试，因为程序运行的控制流会在框架和应用相关的处理器之间跳转，不了解框架的应用程序开发人员难一跟着调试。

相关库

ACE

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，要根据情况，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，据说socket编程在linux下有不少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，一般应用使用它时，以动态链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，必须非常了解其框架。在其框架下开发，往往new出一个对象，不知在什么地方释放好。

Libevent

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

设计模式 ：libevent为Reactor模式；

层次架构：livevent在不同的操作系统下，做了多路复用模型的抽象，可以选择使用不同的模型，通过事件函数提供服务；

可移植性 ：libevent主要支持linux平台，freebsd平台，其他平台下通过select模型进行支持，效率不是太高；

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，递归锁等均需要自己实现；

线程调度 ：libevent的线程调度需要自己来注册不同的事件句柄；

发布方式 ：libevent为开源免费的，一般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，具体可以参考memcached这个开源的应用，里面使用了 libevent这个库。

Libev

与 libevent 一样，libev 系统也是基于事件循环的系统，它在 poll()、select() 等机制的本机实现的基础上提供基于事件的循环。libev 实现的开销更低，能够实现更好的基准测试结果。

（编辑：李大同）

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