Reactor模式

       处理web请求,主要有两种体系结构:thread-based(基于线程)和event-driven(基于事件驱动) architectures. 

基于线程
       基于线程的体系结构通常会使用多线程来处理客户端的请求,每当接收到一个请求,便开启一个独立的线程来处理。这种方式虽然是直观的,但是仅适用于并发访问量不大的场景,因为线程需要占用一定的内存资源,且操作系统在线程之间的切换也需要一定的开销,当线程数过多时显然会降低web服务器的性能。并且,当线程在处理I/O操作,在等待输入的这段时间线程处于空闲的状态,同样也会造成cpu资源的浪费。一个典型的设计如下:

                 
       不幸的是,连接请求和线程之间总是存在一对一的关系。长连接例如Keep-alive能够引起大量线程处于等待空闲状态,例如文件系统访问、网络等。此外,数百甚至数千个并发线程可能会浪费大量的内存空间。


基于事件驱动
       事件驱动体系结构是目前比较广泛使用的一种。这种方式会定义一系列的事件处理器来响应事件的发生,并且将服务端接受连接与对事件的处理分离。其中,事件是一种状态的改变。比如,tcp中socket的new incoming connection、ready for read、ready for write。

reactor设计模式

        reactor设计模式是event-driven architecture的一种实现方式,处理多个客户端并发的向服务端请求服务的场景。每种服务在服务端可能由多个方法组成。reactor会解耦并发请求的服务并分发给对应的事件处理器来处理。目前,许多流行的开源框架都用到了reactor模式,如:netty、node.js等,包括java的nio。

总体图示如下:

                    

       reactor主要由以下几个角色构成:handle、Synchronous Event Demultiplexer、Initiation Dispatcher、Event Handler、Concrete Event Handler


- Handle

      handle在linux中一般称为文件描述符,而在window称为句柄,两者的含义一样。handle是事件的发源地。比如一个网络socket、磁盘文件等。而发生在handle上的事件可以有connection、ready for read、ready for write等。

- Synchronous Event Demultiplexer

       同步事件分离器,本质上是系统调用。比如linux中的select、poll、epoll等。比如,select方法会一直阻塞直到handle上有事件发生时才会返回。

- Event Handler

      事件处理器,其会定义一些回调方法或者称为钩子函数,当handle上有事件发生时,回调方法便会执行,一种事件处理机制。

- Concrete Event Handler
      具体的事件处理器,实现了Event Handler。在回调方法中会实现具体的业务逻辑。

- Initiation Dispatcher

      初始分发器,也是reactor角色,提供了注册、删除与转发event handler的方法。当Synchronous Event Demultiplexer检测到handle上有事件发生时,便会通知initiation dispatcher调用特定的event handler的回调方法。

处理流程

    1. 当应用向Initiation Dispatcher注册Concrete Event Handler时,应用会标识出该事件处理器希望Initiation Dispatcher在某种类型的事件发生发生时向其通知,事件与handle关联

    2. Initiation Dispatcher要求注册在其上面的Concrete Event Handler传递内部关联的handle,该handle会向操作系统标识

    3. 当所有的Concrete Event Handler都注册到 Initiation Dispatcher上后,应用会调用handle_events方法来启动Initiation Dispatcher的事件循环,这时Initiation Dispatcher会将每个Concrete Event Handler关联的handle合并,并使用Synchronous Event Demultiplexer来等待这些handle上事件的发生

    4. 当与某个事件源对应的handle变为ready时,Synchronous Event Demultiplexer便会通知 Initiation Dispatcher。比如tcp的socket变为ready for reading

    5. Initiation Dispatcher会触发事件处理器的回调方法。当事件发生时, Initiation Dispatcher会将被一个“key”(表示一个激活的handle)定位和分发给特定的Event Handler的回调方法

    6. Initiation Dispatcher调用特定的Concrete Event Handler的回调方法来响应其关联的handle上发生的事件


 

### Reactor模式详解 Reactor模式是一种事件驱动的并发编程模型,广泛应用于高性能网络编程中,用于处理大量并发连接[^3]。它通过事件循环(Event Loop)机制高效地管理I/O操作,适用于服务器端开发[^1]。 #### 核心概念 Reactor模式的核心思想在于利用操作系统提供的I/O多路复用机制(如`select`、`poll`、`epoll`等),高效地监听和分发事件,使得程序能够以非阻塞方式处理多个I/O事件[^3]。在Reactor模式中,一个单独的线程运行Reactor,负责监听和分发事件,并将事件分发给适当的处理程序来对I/O事件做出反应[^4]。 #### 实现细节 Reactor模式的实现通常包括以下几个关键部分: 1. **事件注册**:服务端通过初始分配器注册实例化句柄处理某类事件[^5]。 2. **事件监听**:Reactor使用I/O多路复用机制监听多个文件描述符上的事件。 3. **事件分发**:当事件到达时,Reactor将事件分发给相应的事件处理程序[^4]。 4. **事件处理**:事件处理程序执行具体的业务逻辑,完成事件的处理。 以下是一个简单的Reactor模式实现示例,基于Python中的`selectors`模块: ```python import selectors import socket sel = selectors.DefaultSelector() def accept(sock, mask): conn, addr = sock.accept() # Should be ready print(f"Accepted connection from {addr}") conn.setblocking(False) sel.register(conn, selectors.EVENT_READ, read) def read(conn, mask): data = conn.recv(1024) # Should be ready if data: print(f"Echoing {data!r} back to client") conn.send(data) # Hope it won't block else: print("Closing", conn) sel.unregister(conn) conn.close() sock = socket.socket() sock.bind(('localhost', 12345)) sock.listen(100) sock.setblocking(False) sel.register(sock, selectors.EVENT_READ, accept) while True: events = sel.select() for key, mask in events: callback = key.data callback(key.fileobj, mask) ``` #### 应用场景 Reactor模式在实际应用中被广泛采用,特别是在需要处理大量并发连接的场景下。以下是两个典型的例子: 1. **Netty框架**:Netty是一个异步事件驱动的网络应用框架,其核心设计正是基于Reactor模式。通过Reactor模式,Netty实现了高效的I/O操作和事件处理[^2]。 2. **Redis数据库**:Redis作为一个高性能的内存数据库,也采用了Reactor模式来处理客户端请求。Redis使用单线程事件循环来处理所有I/O操作,确保了高并发下的稳定性和性能[^1]。 #### 总结 Reactor模式通过事件驱动的方式,结合I/O多路复用机制,实现了高效的并发处理。无论是单线程还是多线程版本,Reactor模式都能灵活应对不同的应用场景。在实际开发中,掌握Reactor模式对于理解和优化网络应用框架至关重要。
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