两种高效的服务器设计模式:Reactor and Proactor

IO 模型

《unix网络编程》(12)五种I/O模型中提到了五种I/O模型
我们都知道,为了OS的安全性等的考虑,进程是无法直接操作I/O设备的,其必须通过系统调用请求内核来协助完成I/O动作,而内核会为每个I/O设备维护一个buffer。如下图所示:

  两种高效的服务器设计模式:Reactor and Proactor_第1张图片

  整个请求过程为: 用户进程发起请求,内核接受到请求后,从I/O设备中获取数据到buffer中,再将buffer中的数据copy到用户进程的地址空间,该用户进程获取到数据后再响应客户端。

  在整个请求过程中,数据输入至buffer需要时间,而从buffer复制数据至进程也需要时间。因此根据在这两段时间内等待方式的不同,I/O动作可以分为以下五种模式:

  (1) 阻塞I/O (Blocking I/O)

  (2) 非阻塞I/O (Non-Blocking I/O)

  (3) I/O复用(I/O Multiplexing)

  (4) 信号驱动的I/O (Signal Driven I/O)

  (5) 异步I/O (Asynchrnous I/O)
前四种都是同步,只有最后一种才是异步IO,众所周知,select、poll、epoll都属于I/O复用,也会使进程阻塞,但是和阻塞I/O所不同的的,I/O执行的两个阶段【等待数据、接收数据】在用户进程都是阻塞的,但是两个阶段是独立的,在一次完整的I/O操作中,用户进程是发起了两次系统调用,其间的时间CPU可以做其他任务。它们可以同时阻塞多个I/O操作。而且可以同时对多个读操作,多个写操作的I/O函数进行检测,直到有数据可读或可写时,才真正调用I/O操作函数。

Reactor and Proactor区别

在Reactor模式中,事件分离者等待某个事件或者可应用或个操作的状态发生(比如文件描述符可读写,或者是socket可读写),事件分离器就把这个事件传给事先注册的处理器(事件处理函数或者回调函数),由后者来做实际的读写操作。
在Proactor模式中,事件处理者(或者代由事件分离者发起)直接发起一个异步读写操作(相当于请求),而实际的工作是由操作系统来完成的。发起时,需要提供的参数包括用于存放读到数据的缓存区,读的数据大小,或者用于存放外发数据的缓存区,以及这个请求完后的回调函数等信息。事件分离者得知了这个请求,它默默等待这个请求的完成,然后转发完成事件给相应的事件处理者或者回调。

可以看出两者的区别:Reactor是在事件发生时就通知事先注册的事件(读写由处理函数完成);Proactor是在事件发生时进行异步I/O(读写由OS完成),待IO完成事件分离器才调度处理器来处理。

举个例子,将有助于理解Reactor与Proactor二者的差异,以读操作为例(类操作类似)。
在Reactor(同步)中实现读:
- 注册读就绪事件和相应的事件处理器
- 事件分离器等待事件
- 事件到来,激活分离器,分离器调用事件对应的处理器。
- 事件处理器完成实际的读操作,处理读到的数据,注册新的事件,然后返还控制权。
Proactor(异步)中的读:
- 处理器发起异步读操作(注意:操作系统必须支持异步IO)。在这种情况下,处理器无视IO就绪事件,它关注的是完成事件。
- 事件分离器等待操作完成事件
- 在分离器等待过程中,操作系统利用并行的内核线程执行实际的读操作,并将结果数据存入用户自定义缓冲区,最后通知事件分离器读操作完成。
- 事件分离器呼唤处理器。
- 事件处理器处理用户自定义缓冲区中的数据,然后启动一个新的异步操作,并将控制权返回事件分离器。

待续——–

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