高性能网络I/O模型之Reactor和Proactor

Reactor（反应器模式、分发器模式）

非阻塞同步网络模型。基于I/O多路复用结合线程池复用，多个连接公用一个阻塞对象，应用程序只需要在一个阻塞对象等待，无需轮询阻塞等待所有连接，常见的实现方式有select，epoll，kqueue等；当某个连接有新的数据可以处理时，操作系统通知应用程序使得线程从阻塞状态返回，然后分派到相应的处理线程开始进行业务处理。

Reactor模式中有两大核心组成：Reactor和Handlers：

• Reactor
  在单独一个线程中运行，负责监听和分发事件
• Handlers
  处理程序执行I/O事件要完成的实际事件

image.png

单Reactor单线程模型

Reactor对象通过select监控连接事件，收到事件之后通过dispatch进行分发；如果是连接建立事件，交给Acceptor处理，Acceptor通过accept接收连接，然后创建一个Handler处理该连接后续的各种事件。如果不是连接建立事件，则Reactor调用连接对应Handler响应，Handler会完成read->业务处理-->send的完整流程。

单Reactor单线程

优缺点：
1）模型简单、没有多线程、进程通信、竞争问题。
2）只有一个线程，无法发挥多核CPU性能，容易产生性能瓶颈
3）可靠性低，如果线程意外终止，或者进入死循环， 会导致整个系统通信模块不可用。
4）Handler在处理某个连接的业务时，其他连接的事件无法被处理

使用场景：
仅适用于客户端数量有限，业务处理非常快速的场景，比如redis。

单Reactor多线程模型

为了解决单Reactor单线程的缺点，引入了单Reactor多线程模型。

在主线程中，Reactor对象通过select监控连接事件，收到事件之后通过dispatch进行分发；如果是连接建立事件，交给Acceptor处理，Acceptor通过accept接受连接，并为其创建一个Handler来处理后续的各种事件。如果不是连接建立事件，则Reactor调用连接对应的Handler来响应，其中Handler只负责响应事件，不进行业务处理，Handler通过read读取到数据后，然后传递给Worker交给线程池取执行，Worker执行过完之后将响应结果发给主线程的Handler处理，Handler再将响应结果通过send**发送给客户端。

单Reactor多线程

优缺点：
1）充分发挥利用多核CPU处理能力，提升性能
2）多线程数据共享和访问的处理比较复杂，reactor在单线程中处理所有的事件监听和响应，在高并发场景下容易产生性能瓶颈
3）Reactor承担所有事件的监听和响应，只在主线程这个单线程中运行，瞬间高并发会使其成为性能瓶颈。

主从Reactor多线程模型

Reactor主线程通过select监听连接事件，收到事件后通过Acceptor处理连接事件，当Acceptor处理连接事件后，主Reactor将连接分配给某个子线程的SubReactor，subReactor将连接加入监听队列中，并创建handler进行各种事件的处理，当有新事件发生，subReactor调用对应handler处理，handler读取数据完之后通过交给worker线程池进行处理。

主从Reactor多线程模型

优缺点：
1）父线程与子线程数据交互简单、职责明确，父线程只负责接收新连接，子线程完成后续业务处理。
2）编程复杂度高

著名开源系统Nginx采用的就是主从Reactor多进程模型，Memcache和Netty采用Reactor多线程模型。

Proactor

非阻塞异步网络模型。Proactor核心思想就是，当来了事件，由操作系统进行处理（即从硬件读取到内核以及内核读取到用户态），处理完之后通知应用程序。

整个Proactor方案为在我们应用程序中有一个Proactor Initiator负责Proactor和Handler，并将Proactor和Handler通过Asynchronous Operation Processor注册到内核。Asynchronous Operation Processor负责处理注册请求，完成I/O操作，当其完成I/O的操作后，通知Proactor，Proactor根据不同事件类型回调不同的Handler进行业务处理。

Proactor模型

图片引用自：从0开始学架构

Reactor和Proactor区别

看到一个形象的解释：Reactor相当于到饭点了，保姆通知你去做饭；Proactor是到饭店了，你告诉保姆饭桌在哪，保姆做完饭放到饭桌上，然后通知你。

参考

• 《从0开始学架构》
• 尚硅谷Netty教程
• https://gitee.com/alan-tang-tt/reactor