两种高性能 I/O 设计模式 Reactor 和 Proactor

Reactor 和 Proactor 是基于事件驱动，在网络编程中经常用到两种设计模式。

曾经在一个项目中用到了网络库 libevent，也学习了一段时间，其内部实现所用到的就是 Reactor，所知道的还有 ACE；Proactor 模式的库有 Boost.Asio，ACE，暂时没有用过。但我也翻阅了一些文档，理解了它的实现方法。下面是我在学习这两种设计模式过程的笔记。

Reactor

Reactor，即反应堆。Reactor 的一般工作过程是首先在 Reactor 中注册（Reactor）感兴趣事件，并在注册时候指定某个已定义的回调函数（callback）；当客户端发送请求时，在 Reactor 中会触发刚才注册的事件，并调用对应的处理函数。在这一个处理回调函数中，一般会有数据接收、处理、回复请求等操作。

两种高性能 I/O 设计模式 Reactor 和 Proactor

libevent 采用的就是 Reactor 的设计思想。其 Reactor 的中心思想是众所周知的 I/O 多路复用：select,poll,epoll,kqueue 等.libevent 精彩的将定时事件，信号处理，I/O 事件结合在在一起，也就是说用户同时在 Reactor 中注册上述三类事件。遗憾的是，libevent 不支持多线程，也就是说它同步处理请求，导致不能处理大量的请求；这样并不是说 Reactor 实现的网络库都不支持多线程，而是 libevent 本身的原因，我们也可以通过修改让 ilbevent 支持多线程，并发处理多个请求。

下面是 libevent 的一段代码，大概能够说明 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

从上面 Reactor 模式中，发现服务端数据的接收和发送都占用了用户状态（还有一种内核态），这样服务器的处理操作就在数据的读写上阻塞花费了时间，节省这些时间的办法是借助操作系统的异步读写；异步读写在调用的时候可以传递回调函数或者回送信号，当异步操作完毕，内核会自动调用回调函数或者发送信号。Proactor 就是这么做的，所以很依赖操作系统。来一幅 UML：

和时序图：

注：这两幅美艳的图片来自 Proactor.doc，下面会提到.

Proactor 的实现主要有三个部分：异步操作处理器，Proactor 和事件处理函数。其中：

- 异步操作处理器，很依赖操作系统的异步处理机制，如若操作系统没有实现，我们可以自行模拟，即开专门的数据读写线程，数据读写完毕触发相应的时间（如果有注册的话）；
- Proactor，会接收异步操作的提醒，调用相应的事件处理函数，它有自己的 event loop；
- 事件处理函数，事件触发，执行操作；

曾经看过 Proactor.doc，作者是 Douglas C. Schmidt，你可以在这里阅读此文档。里面的关于 Proactor 的讲解很精彩，部分摘抄和自己的理解如下：当连接 web 服务器时：

web 服务器指定（1）接收器，此接收器相当于服务器的客户端，它可以启动异步的 accept 操作；
接收器调用操作系统上的异步接收操作（2），并传递自己和 Proactor 的引用；异步接收操作结束后，前者用作事件处理函数，后者会回过头来分发事件；注：传递 Proactor 是为了让操作系统通知正确的 Proactor，可能会存在多个 Proactor；传递接收器自己是为了在异步接收操作结束后 Proactor 能调用正确的事件处理函数，以下同理。
web 服务器调用 Proactor 的事件循环；（3）
web 浏览器连接 web 服务器；（4）
异步接收操作结束后，操作系统产生事件（通过回调或者信号）并通知 Proactor（5），Proactor 收到后会调用相应的事件处理函数，即交由接收器处理；（6）
接收器生成 HTTP 处理器，执行操作；（7）
HTTP 处理器解析事件，启动异步读操作（8），获取来自浏览器的 GET 请求。同样，HTTP 处理器传递自己和 Proactor 的引用；
web 服务器的控制权交还回 Proactor 的事件循环。（9）

接收 GET 请求过后，会处理数据：

浏览器发送（1）一个 HTTP GET 请求；
异步读操作结束后，操作系统会通知 Proactor，Proactor 分发给事件处理函数；（2，3）
事件处理器解析请求。（4）2-4 步骤会重复，指导所有的数据都接收为止；
事件处理器产生答复数据；（5）
HTTP 处理器启动异步写操作（6），传输应答数据，同样的这里还会传递处理器自己和 Proactor；
异步写操作结束，操作系统通知 Proactor（7），Proactor 分发给事件处理函数（8）。6-8 步骤会重复直到所有的数据写完为止。至此，一个请求回复完成。

总结

相比网络编程中最简单的思路模式：bind,listen,accept,read,server operator,write，Reactor 和 Proactor 是两种高性能的设计模式，掌握此两种模式，有助于理解一些网络库的工作流程。此文提到了两种设计模式，但没有一些技术细节，譬如多线程同步。如果在 Reactor 中支持多线程，或多个线程共享一个 Proactor，线程的同步问题就来了。共享一篇印象笔记关于线程的综合讨论：这里.

《Comparing Two High-Performance I/O Design Patterns》提到一个将 Reactor 模拟 Proactor 而不借助操作系统异步机制的方法：同样在 Reactor 注册感兴趣的事件（比如读），当事件发生时，执行非阻塞的读，读毕即才调用数据处理——假异步。

最后，实践出真知。欢迎讨论。

参考：

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

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

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

- 《 IO - 同步，异步，阻塞，非阻塞（亡羊补牢篇）》，http://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378

捣乱 2013-08-21

http://daoluan.net

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