设计 | 设计模式 - [Reactor]

§1 简介

核心特征
Reactor 即反应堆模式，别称 分发者模式、通知者模式。
通常是对多路复用思想的实现

• 多个连接或请求可以同时阻塞在一个 Reactor 上
• Reactor 可以对阻塞在其上的多个连接或请求进行监听，连接和请求就绪时会产生对应的事件
• Reactor 可以监听到事件，并同步的将它们分发给对应的处理器处理

整体模型

关键对象
反应堆模式由两种关键对象，整体模型如下

• Reactor
  • 独立线程，管理所有注册的客户端
    • 监听客户端事件，客户端请求就绪时会生成对应事件，并被 Reactor 监听到
    • 分发客户端事件，交由对应的 Handler 处理
• Handler
  • 事件的执行器，即真正处理请求的部分
  • 根据不同的线程模型，可以由不同数量的线程调度
  • 执行器通常有多个，每个线程处理的执行器不一定是单个

应用
最经典应用于 NIO(Netty) 的多路复用实现中

在 redis 中的网络 IO 多路复用中的应用参考 基础 | NIO - [从 redis 深度理解多路复用]

核心优势

• 响应快，虽然 Reactor 本身是同步的，但是没有必然阻塞的情况
• 尽量避免线程通信问题
  虽然会有多线程、线程池，但通常用来分块处理
  因此线程间的通信、共享可以尽量避免
• 扩展性优秀
  见 [§2 常见线程模型] 的演进
• 复用性强
  Reactor 与业务本身无关，但只要符合相关模型，就可以处理各种业务

§2 常见线程模型

单 Reactor 单线程
Reactor 和 Handler 在同一个线程中，如下图所示
Handler 完整负责业务处理

优点

• 模型简单，实现方便
• 无进程、线程通信竞争问题，天然同步、有序

缺点

• 性能问题 (体现在 Handler)
  单线程，不能利用多核优势
  虽然通过 Reactor 解决了阻塞问题，高并发下容易形成性能瓶颈
  因为单线程毕竟性能有限，一个 Handler 在处理业务时无法响应其他连接
• 可靠性问题
  线程终止或死循环时，这个模型不可用

适用场景

• 客户端数量有限
• 业务处理简单快速
  比如 $O(1)$ 复杂度的业务
• 可靠性要求不高

单 Reactor 多线程
Reactor 和 Handler 在同一个线程中，如下图所示
Handler 只负责监听和响应事件，相当于 Controller
Handler 将事件委托给 Worker 线程池，线程池中的各个线程相当于原来的 Handler
worker 处理完业务后，结果交回给 Handler，由 Handler send 回 Client

优点

• 可以利用多核优势

缺点

• 性能问题 (体现在 Reactor)
  因为 Reactor 需要处理所有事件的监听和响应，高并发下会出现性能瓶颈
• 带来线程通信、共享等问题

主从 Reactor 多线程
Reactor 进行主从 Reactor 的区分

• 主 Reactor 只负责处理 accept 事件，相当于一级就绪
• 从 Reactor 负责其他事件，相当于二级就绪

Handler 依然只负责监听和响应事件
最终由 worker 负责真正事件的处理，处理业务
worker 处理完业务后，结果交回给 Handler，由 Handler send 回 Client

优点

• 可以利用多核优势
• 主从 Reactor 职责明确
  • 主 Reactor 只负责处理新连接
  • 从 Reactor 只负责处理指定的业务(可以按不同从 Reactor 进行划分)
• 主从 Reactor 数据交互简单

缺点

• 编码难度高
• 带来线程通信、共享等问题

§3 Netty 的 Reactor 模型

参考 并发编程 | Netty - [Reactor 模型]