Reactor模式

反应器设计模式（Reator pattern）是一种基于事件驱动的设计模式，常用于高并发场景下，常见的像Node.js、Netty、Vert.x中都有着Reactor模式的身影。本文对Reactor模式作了简要介绍，结合对比Node.js线程模型进行分析。

单线程Reactor模式

Reactor模式是一种事件处理模式，单个或多个事件并发地投递到事件处理服务，事件处理服务将事件进行分离，同步的将他们分发到对应的事件处理器中。

模式结构

下图是一张示意图，结合了维基百科的定义：

• Handle：句柄，是对资源在操作系统层面的抽象（unix中的fd），可供系统输入或输出的资源。在网络编程中，一般指的是一个连接，如socket，Java NIO中的Channel
• Demultiplexer：同步事件分离器，通常使用EventLoop来进行资源的阻塞等待，当一个资源处于就绪状态的时候，会被轮询出来传递给分发器
• Dispatcher：分发器，用来注册、移除EventHandler，将资源分配到对应的处理器中同步执行
• EventHandler：事件处理器，处理对应的事件，一般由分发器进行回调。

交互过程

• 初始化Dispatcher
• 注册EventHandler到Dispatcher，每个事件处理器包含对应Handle的引用，这样就可以建立Handle到EventHandler的映射
• 启动EventLoop，阻塞等待资源的某个事件发生
• 当某些Handle的事件发生后，资源变为就绪状态，会被传递给Dispatcher，分发器通过开始注册的资源映射关系，调用对应的EventHandler方法。

这就是最简单的Reactor模式，它其实也是I/O多路复用的一种具现，用户不需要考虑并发的问题，直接交给了事件处理器进行，同时也减少了高并发情况下多线程对系统资源的消耗。

在一些小容量的场景下，单线程的模式可以使用，但在高负载、大并发的场景下却不适用，主要在于一个NIO线程无法支撑同时处理成百上千的链路处理，在编解码消息时，由于无法及时处理会造成消息堆积，进而形成请求超时等问题，而且单个线程也不利于程序的稳定性，一旦线程崩了，整个程序就崩掉了。所以在实际应用中大部分都是多线程的Reactor模式。

Node.js线程模型

Node.js是一个采用事件驱动和异步非阻塞I/O，实现的单线程、高并发的JavaScript运行环境，使用它可以编写性能良好的web服务端。笔者在学习Vert.x的时候发现它与Node.js的线程模型很类似，它并不是严格意义上的Reactor模式，这里用来与单线程的Reactor模式作对比，加深理解。

众所周知，I/O操作绝大部分都十分耗时，传统的方法是使用多线程来解决I/O耗时阻塞的问题，多路复用也可以实现同时处理多个任务的功能，那么单线程的IO是如何处理I/O的并发请求呢？

Node.js并不是单纯的单线程，它用主线程处理所有请求，然后对I/O操作进行异步处理，交给其他线程去执行，避免了频繁创建、销毁和上下文切换带来的系统开销。下面来看Node.js的工作原理。

工作原理

从左到右，从上到下，Node.js 被分为了四层，分别是 应用层、V8引擎层、Node API层 和 LIBUV层。

• 应用层： 即 JavaScript 交互层，常见的就是 Node.js 的模块，比如 http，fs
• V8引擎层： 即利用 V8 引擎来解析JavaScript 语法，进而和下层 API 交互
• NodeAPI层： 为上层模块提供系统调用，一般是由 C 语言来实现，和操作系统进行交互
• LIBUV层： 是跨平台的底层封装，实现了 事件循环、文件操作等，是 Node.js 实现异步的核心

Node.js在主线程维护了一个事件队列，接收到请求后，就将该请求作为一个事件放入Event Queue中，然后继续接受其他请求，当主线程空闲（没有请求接收） 的时候，就开始轮询事件队列。这里要分两种情况：

• 普通任务，就由主线程亲自执行，并通过回调函数返回给上层调用
• I/O任务，就从线程池中拿出一个线程处理这个事件，指定回调函数，继续轮询事件队列中的其他事件。当线程中的I/O任务完成以后，执行回调函数，并把这个完成的事件放在事件队列的尾部，等待事件循环，当主线程再次循环到该完成事件时，再返回给上层调用。

Node.js的单线程并非整个环境都运行在单线程中，而是对JavaScript层面的任务处理是单线程的。

像Node.js这种解决方案：将耗时少的短任务交给主线程来处理，将I/O操作或者一些CPU密集型任务交给其他线程来执行，这样不会阻塞EventLoop正常进行事件的循环，是比较通用的解决方案。例如在Vert.x中，对于普通的verticle，会运行在EventLoop线程中，对于耗时长的任务则放在Worker Pool中的线程上运行。

多线程下的Reactor模式与Node.js这种解决方案很类似，一个线程负责链路的监听、建立，然后将I/O交给其它子线程来完成。后文会有介绍。