服务器程序框架之3.两种高效的事件处理模式

时间:2022-09-09 21:25:56

       服务器程序通常需要处理三类事件:I/O事件、信号及定时事件。本篇先从整体上介绍一下联众高效的事件处理模式:Reactor和Proactor。 

       随着网络设计模式的兴起,Reactor和Proactor事件处理模式应运而生。同步I/O模型经常用于实现Reactor模式,异步I/O模式可用于实现Proactor模式。后面会看到,如何使用同步I/O方式模拟出Proactor模式。

1.Reactor模式

       Reactor模式:它要求主线程(I/O处理单元,下同)只负责监听文件描述上是否有事件发生,有的话立即将该事件通知工作线程(逻辑单元,下同)。除此之外,主线程不做任何其他实质性的工作。读写数据,接受新的连接,以及处理客户请求均在工作线程中完成。

       使用同步I/O模型(以epoll_wait为例)实现的Reactor模式的工作流程是:

       1)主线程往epoll内核事件表中注册socket上的读就绪事件,

       2)主线程调用epoll_wait等待socket上有数据可读。

       3)当socket上有数据可读时,epoll_wait通知主线程。主线则将socket可读事件放入请求丢了。

       4)睡眠在请求队列上的某个工作线程被唤醒,它从socket读取数据,并处理客户请求,然后往epoll内核事件表中注册该socket上的写就绪事件。

       5)主线程调用epoll_wait等待socket可写。

       6)当socket可写时,epoll_wait通知主线程。主线程将socket可写事件放入请求队列。

       7)睡眠在请求队列上的某个工作线程被唤醒,它往socket上写入服务器处理客户请求的结果。

图1总结了Reactor模式的工作流程。

服务器程序框架之3.两种高效的事件处理模式

                                                                  图 1 Reactor模式

       图1中,工作线程从请求队列中取出事件后,将根据事件的类型来决定如何处理它:对于可读事件,执行读数据和处理请求的操作;对于可写事件,执行写数据的操作。因此,上图所示的Reactor模式中,没必要区分“读工作线程”和“写工作线程”。

2.Proactor模式

       与Reactor模式不同,Proactor模式将所有I/O操作都交给主线程和内核来处理,工作线程仅仅负责业务逻辑。因此,Proactor模式更符合C/S服务器编程框架。

         使用异步I/O模型(以aio_read和aio_write为例)实现的Proactor模式的工作流程是:

       1)主线程调用aio_read函数内核注册socket上的读完成事件,并告诉内核用户读缓冲区的位置,以及读操作完成时如何通知应用程序。

       2)主线程继续处理其他逻辑。

       3)当socket上的数据被读入用户缓冲区后,内核将向应用程序发送一个信号,以通知应用程序数据已经可用。

       4)应用程序预先定义好的信号处理函数选择一个工作线程来处理客户请求。工作线程处理完客户请求后,调用aio_write函数向内核注册socket上的写完成事件,并告诉内核用户写缓冲区的位置,以及写操作完成时如何通知应用程序。

      5)主线程继续处理其他逻辑。

     6)当用户缓冲区的数据被写入socket之后,内核将向应用程序发送一个信号,以通知应用程序数据已经发送完毕。

     7)应用程序预先定义好的信号处理函数选择一个工作线程来做善后处理,比如决定是否关闭socket。

图 2总结了Proactor模式的工作流程。

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                                                                        图 2  Proactor模式

      在图2中,连接socket上的读写事件是通过aio_read/aio_write向内核注册的,因此内核将通过信号来向应用程序报告连接socket上的读写事件。所以,主线程中的epoll_wait调用仅能用来检测监听socket上的连接请求事件,而不能用来检测连接socket上的读写事件。

3.模拟Proactor模式

       使用同步I/O方式模拟出Proactor模式的方法,原理是:主线程执行数据读写操作,读写完成之后,主线程向工作线程通知这一“完成事件”。从工作现成的角度来看,它们就直接获得了读写的结果,接下来要做的只是对读写的结果进行逻辑处理。

       使用同步I/O模型(仍然以epoll_wait为例)模拟出的Proactor模式的工作流程如下:

      1)主线程往epoll内核事件表中注册socket上的读就绪事件。

      2)主线程调用epoll_wait等待socket上有数据可读。

     3)当socket上有数据可读时,epoll_waiit通知主线程,主线程从socket循环读取数据,直到没有更多的数据可读,然后将读取到的数据封装成一个请求对象并插入请求队列。

     4)睡眠在请求队列上的某个工作线程被唤醒,它获得请求对象并处理客户请求,然后往epoll内核事件表中注册socket上的写就绪事件。

     5)主线程调用epoll_wait等待socket可写。

     6)当socket可写时,epoll_wait通知主线程。主线程在socket上写入服务器处理客户端请求的结果。

图3总结了用同步I/O模型模拟出的Proactor模式的工作流程。

服务器程序框架之3.两种高效的事件处理模式

                                                             图 3  用同步I/O模拟出的Proactor模式