Reactor 线程模型浅析

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发布于: 2020 年 12 月 07 日
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。
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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。
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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 。
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Reactor 结构﻿
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上图是 Reactor 模型，主要涉及的类：
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Initiation Dispatcher：EventHandler 的容器，用来注册、移除 EventHandler 等；另外，它作为 Reactor 模式的入口调用 Synchronous Event Demultiplexer 的 select 方法以阻塞等待事件的返回，当阻塞事件返回时，将事件发生的 Handle 分发到相应的 EvenHandler 处理。
Even Handler：定义了事件处理的方法。
Handle：即操作系统中的句柄，是对资源在操作系统层面上的一种抽象，它可以是打开的文件、一个连接(Socket)、Timer等。
Synchronous Event Demultiplexer：使用一个事件循环 ，以阻止所有的资源。当可以启动一个同步操作上的资源不会阻塞，多路分解器发送资源到分发器。
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Reactor 时序图﻿
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初始化 InitationDispatcher，并初始化一个Handle到EventHandler的Map。
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注册 EvenHandler 到 InitationDispatcher，每个 EventHandler 包含对相应 Handle的引用，从而建立Handle到EventHandler的映射（Map）。
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调用 InitiationDispatcher 的 handle_events() 方法以启动 Event Loop。在 EventLoop 中，调用select()方法（Synchronous Event Demultiplexer）阻塞等待Event发生。当某个或某些 Handle 的 Event 发生后，select() 方法返回，InitiationDispatcher根据返回的Handle找到注册的 EventHandler ，并回调该 EventHandler 的 handle_events()方法。
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在 EventHandler 的 handle_events() 方法中还可以向 InitiationDispatcher 中注册新Eventhandler，比如对 AcceptorEventHandler 来说，当有新的 client 连接时，它会产生新的EventHandler 以处理新的连接，并注册到 InitiationDispatcher 中。
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模式模型﻿
单线程模型
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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。
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多线程模型（单Reactor）
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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。
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多线程模型（多Reactor）
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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。
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Reactor 的优缺点﻿
优点：
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大多数设计模式的共性：解耦、提升复用性、模块化、可移植性、事件驱动、细力度的并发控制等。
更为显著的是对性能的提升，即不需要每个 Client 对应一个线程，减少线程的使用。
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缺点：
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相比传统的简单模型，Reactor增加了一定的复杂性，因而有一定的门槛，并且不易于调试。
Reactor模式需要底层的Synchronous Event Demultiplexer支持，比如Java中的Selector支持，操作系统的select系统调用支持，如果要自己实现Synchronous Event Demultiplexer可能不会有那么高效。
Reactor模式在IO读写数据时还是在同一个线程中实现的，即使使用多个Reactor机制的情况下，那些共享一个Reactor的Channel如果出现一个长时间的数据读写，会影响这个Reactor中其他Channel的相应时间，比如在大文件传输时，IO操作就会影响其他Client的相应时间，因而对这种操作，使用传统的Thread-Per-Connection或许是一个更好的选择，或则此时使用Proactor模式。
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