Proactor和Reactor模式_继续并发系统设计的扫盲

Proactor和Reactor模式_继续并发系统设计的扫盲

6.6.2008

Kevin Lynx

Proactor和Reactor都是并发编程中的设计模式。在我看来，他们都是用于派发/分离IO操作事件的。这里所谓的
IO事件也就是诸如read/write的IO操作。"派发/分离"就是将单独的IO事件通知到上层模块。两个模式不同的地方
在于，Proactor用于异步IO，而Reactor用于同步IO。

摘抄一些关键的东西：

"
Two patterns that involve event demultiplexors are called Reactor and Proactor [1]. The Reactor patterns
involve synchronous I/O,whereas the Proactor pattern involves asynchronous I/O.
"

关于两个模式的大致模型，从以下文字基本可以明白：

"
An example will help you understand the difference between Reactor and Proactor. We will focus on the read
operation here,as the write implementation is similar. Here's a read in Reactor:

* An event handler declares interest in I/O events that indicate readiness for read on a particular socket ;
* The event demultiplexor waits for events ;
* An event comes in and wakes-up the demultiplexor,and the demultiplexor calls the appropriate handler;
* The event handler performs the actual read operation,handles the data read,declares renewed interest in
I/O events,and returns control to the dispatcher .

By comparison,here is a read operation in Proactor (true async):

* A handler initiates an asynchronous read operation (note: the OS must support asynchronous I/O). In this
case,the handler does not care about I/O readiness events,but is instead registers interest in receiving
completion events;
* The event demultiplexor waits until the operation is completed ;
* While the event demultiplexor waits,the OS executes the read operation in a parallel kernel thread,puts
data into a user-defined buffer,and notifies the event demultiplexor that the read is complete ;
* The event demultiplexor calls the appropriate handler;
* The event handler handles the data from user defined buffer,starts a new asynchronous operation,and returns
control to the event demultiplexor.

"

可以看出，两个模式的相同点，都是对某个IO事件的事件通知(即告诉某个模块，这个IO操作可以进行或已经完成)。在结构
上，两者也有相同点：demultiplexor负责提交IO操作(异步)、查询设备是否可操作(同步)，然后当条件满足时，就回调handler。
不同点在于，异步情况下(Proactor)，当回调handler时，表示IO操作已经完成；同步情况下(Reactor)，回调handler时，表示
IO设备可以进行某个操作(can read or can write)，handler这个时候开始提交操作。

用select模型写个简单的reactor，大致为：

/**////
class handler
{
public:
    virtual void onRead() = 0;
    virtual void onWrite() = 0;
    virtual void onAccept() = 0;
}; 
class dispatch
{
public:
    void poll()
     {
        // add fd in the set.
        // 
        // poll every fd
        int c = select( 0,&read_fd,&write_fd,0 );
        if( c > 0 )
         {
            for each fd in the read_fd_set
             {    if fd can read
                    _handler->onRead();
                if fd can accept
                    _handler->onAccept();
            } 
            for each fd in the write_fd_set
             {
                if fd can write
                    _handler->onWrite();
            }
        }
    } 
    void setHandler( handler *_h )
     {
        _handler = _h;
    } 
private:
    handler *_handler;
}; 
/**//// application
class MyHandler : public handler
{
public:
    void onRead()
     {
    } 
    void onWrite()
     {
    } 
    void onAccept()
     {
    }
}; 

在网上找了份Proactor模式比较正式的文档，其给出了一个总体的UML类图，比较全面：

根据这份图我随便写了个例子代码：

class AsyIOProcessor
{
public:
    void do_read()
     {
        // send read operation to OS
        // read io finished.and dispatch notification
        _proactor->dispatch_read();
    } 
private:
    Proactor *_proactor;
}; 
class Proactor
{
public:
    void dispatch_read()
     {
        _handlerMgr->onRead();
    } 
private:
    HandlerManager *_handlerMgr;
}; 
class HandlerManager
{
public:
    typedef std::list<Handler*> HandlerList; 
public:
    void onRead()
     {
        // notify all the handlers.
        std::for_each( _handlers.begin(),_handlers.end(),onRead );
    } 
private:
    HandlerList *_handlers;
}; 
class Handler
{
public:
    virtual void onRead() = 0;
}; 
// application level handler.
class MyHandler : public Handler
{
public:
    void onRead() 
     {
        // 
    }
}; 

Reactor通过某种变形，可以将其改装为Proactor，在某些不支持异步IO的系统上，也可以隐藏底层的实现，利于编写跨平台
代码。我们只需要在dispatch(也就是demultiplexor)中封装同步IO操作的代码，在上层，用户提交自己的缓冲区到这一层，
这一层检查到设备可操作时，不像原来立即回调handler，而是开始IO操作，然后将操作结果放到用户缓冲区(读)，然后再
回调handler。这样，对于上层handler而言，就像是proactor一样。详细技法参见这篇文章。

其实就设计模式而言，我个人觉得某个模式其实是没有完全固定的结构的。不能说某个模式里就肯定会有某个类，类之间的
关系就肯定是这样。在实际写程序过程中也很少去特别地实现某个模式，只能说模式会给你更多更好的架构方案。

最近在看spserver的代码，看到别人提各种并发系统中的模式，有点眼红，于是才来扫扫盲。知道什么是leader follower模式，
reactor,proactor，multiplexing，对于心中的那个网络库也越来越清晰。

最近还干了些离谱的事，写了传说中的字节流编码，用模板的方式实现，不但保持了扩展性，还少写很多代码；处于效率考虑，
写了个static array容器(其实就是template <typename _Tp,std::size_t size> class static_array { _Tp _con[size])，
加了iterator，遵循STL标准，可以结合进STL的各个generic algorithm用，自我感觉不错。基础模块搭建完毕，解析了公司
服务器网络模块的消息，我是不是真的打算用自己的网络模块重写我的验证服务器？在另一个给公司写的工具里，因为实在厌恶
越来越多的重复代码，索性写了几个宏，还真的做到了代码的自动生成:D。

对优雅代码的追求真的成了种癖好. = =|

（编辑：李大同）

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