Reactor和Proactor网络编程模型

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reactor：能收了你跟俺说一声。
proactor： 你给我收十个字节，收好了跟俺说一声。

1、标准定义

两种I/O多路复用模式：Reactor和Proactor

一般地,I/O多路复用机制都依赖于一个事件多路分离器(Event Demultiplexer)。分离器对象可将来自事件源的I/O事件分离出来，并分发到对应的read/write事件处理器(Event Handler)。开发人员预先注册需要处理的事件及其事件处理器（或回调函数）；事件分离器负责将请求事件传递给事件处理器。

两个与事件分离器有关的模式是Reactor和Proactor。Reactor模式采用同步IO，而Proactor采用异步IO。

在Reactor中，事件分离器负责等待文件描述符或socket为读写操作准备就绪，然后将就绪事件传递给对应的处理器，最后由处理器负责完成实际的读写工作。
而在Proactor模式中，处理器--或者兼任处理器的事件分离器，只负责发起异步读写操作。IO操作本身由操作系统来完成。传递给操作系统的参数需要包括用户定义的数据缓冲区地址和数据大小，操作系统才能从中得到写出操作所需数据，或写入从socket读到的数据。事件分离器捕获IO操作完成事件，然后将事件传递给对应处理器。比如，在windows上，处理器发起一个异步IO操作，再由事件分离器等待IOCompletion事件。典型的异步模式实现，都建立在操作系统支持异步API的基础之上，我们将这种实现称为“系统级”异步或“真”异步，因为应用程序完全依赖操作系统执行真正的IO工作。

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。

在Proactor中实现读：

- 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。

可以看出，两个模式的相同点，都是对某个IO事件的事件通知(即告诉某个模块，这个IO操作可以进行或已经完成)。在结构上，两者也有相同点：demultiplexor负责提交IO操作(异步)、查询设备是否可操作(同步)，然后当条件满足时，就回调handler；不同点在于，异步情况下(Proactor)，当回调handler时，表示IO操作已经完成；同步情况下(Reactor)，回调handler时，表示IO设备可以进行某个操作(can read or can write)。

2、通俗理解

使用Proactor框架和Reactor框架都可以极大的简化网络应用的开发，但它们的重点却不同。

Reactor框架中用户定义的操作是在实际操作之前调用的。比如你定义了操作是要向一个SOCKET写数据，那么当该SOCKET可以接收数据的时候，你的操作就会被调用；而Proactor框架中用户定义的操作是在实际操作之后调用的。比如你定义了一个操作要显示从SOCKET中读入的数据，那么当读操作完成以后，你的操作才会被调用。

Proactor和Reactor都是并发编程中的设计模式。在我看来，他们都是用于派发/分离IO操作事件的。这里所谓的IO事件也就是诸如read/write的IO操作。"派发/分离"就是将单独的IO事件通知到上层模块。两个模式不同的地方在于，Proactor用于异步IO，而Reactor用于同步IO。

平时接触的开源产品如Redis、ACE，事件模型都使用的Reactor模式；而同样做事件处理的Proactor，由于操作系统的原因，相关的开源产品也少；这里学习下其模型结构，重点对比下两者的异同点；

3、IO设计模式：Reactor和Proactor对比

平时接触的开源产品如Redis、ACE，事件模型都使用的Reactor模式；而同样做事件处理的Proactor，由于操作系统的原因，相关的开源产品也少；这里学习下其模型结构，重点对比下两者的异同点；

反应器Reactor

Reactor模式结构

Reactor包含如下角色：

• Handle 句柄；用来标识socket连接或是打开文件；
• Synchronous Event Demultiplexer：同步事件多路分解器：由操作系统内核实现的一个函数；用于阻塞等待发生在句柄集合上的一个或多个事件；（如select/epoll；）
• Event Handler：事件处理接口
• Concrete Event HandlerA：实现应用程序所提供的特定事件处理逻辑；
• Reactor：反应器，定义一个接口，实现以下功能： 
  1）供应用程序注册和删除关注的事件句柄； 
  2）运行事件循环； 
  3）有就绪事件到来时，分发事件到之前注册的回调函数上处理；

“反应”器名字中”反应“的由来： 
“反应”即“倒置”，“控制逆转”,具体事件处理程序不调用反应器，而是由反应器分配一个具体事件处理程序，具体事件处理程序对某个指定的事件发生做出反应；这种控制逆转又称为“好莱坞法则”（不要调用我，让我来调用你）

业务流程及时序图

1. 应用启动，将关注的事件handle注册到Reactor中；
2. 调用Reactor，进入无限事件循环，等待注册的事件到来；
3. 事件到来，select返回，Reactor将事件分发到之前注册的回调函数中处理；

主动器Proactor

Proactor模式结构

Proactor主动器模式包含如下角色

• Handle 句柄；用来标识socket连接或是打开文件；
• Asynchronous Operation Processor：异步操作处理器；负责执行异步操作，一般由操作系统内核实现；
• Asynchronous Operation：异步操作
• Completion Event Queue：完成事件队列；异步操作完成的结果放到队列中等待后续使用
• Proactor：主动器；为应用程序进程提供事件循环；从完成事件队列中取出异步操作的结果，分发调用相应的后续处理逻辑；
• Completion Handler：完成事件接口；一般是由回调函数组成的接口；
• Concrete Completion Handler：完成事件处理逻辑；实现接口定义特定的应用处理逻辑；

业务流程及时序图

1. 应用程序启动，调用异步操作处理器提供的异步操作接口函数，调用之后应用程序和异步操作处理就独立运行；应用程序可以调用新的异步操作，而其它操作可以并发进行；
2. 应用程序启动Proactor主动器，进行无限的事件循环，等待完成事件到来；
3. 异步操作处理器执行异步操作，完成后将结果放入到完成事件队列；
4. 主动器从完成事件队列中取出结果，分发到相应的完成事件回调函数处理逻辑中；

对比两者的区别

主动和被动

以主动写为例： 
Reactor将handle放到select()，等待可写就绪，然后调用write()写入数据；写完处理后续逻辑； 
Proactor调用aoi_write后立刻返回，由内核负责写操作，写完后调用相应的回调函数处理后续逻辑；

可以看出，Reactor被动的等待指示事件的到来并做出反应；它有一个等待的过程，做什么都要先放入到监听事件集合中等待handler可用时再进行操作； 
Proactor直接调用异步读写操作，调用完后立刻返回；

实现

Reactor实现了一个被动的事件分离和分发模型，服务等待请求事件的到来，再通过不受间断的同步处理事件，从而做出反应；

Proactor实现了一个主动的事件分离和分发模型；这种设计允许多个任务并发的执行，从而提高吞吐量；并可执行耗时长的任务（各个任务间互不影响）

优点

Reactor实现相对简单，对于耗时短的处理场景处理高效； 
操作系统可以在多个事件源上等待，并且避免了多线程编程相关的性能开销和编程复杂性； 
事件的串行化对应用是透明的，可以顺序的同步执行而不需要加锁； 
事务分离：将与应用无关的多路分解和分配机制和与应用相关的回调函数分离开来，

Proactor性能更高，能够处理耗时长的并发场景；

缺点

Reactor处理耗时长的操作会造成事件分发的阻塞，影响到后续事件的处理；

Proactor实现逻辑复杂；依赖操作系统对异步的支持，目前实现了纯异步操作的操作系统少，实现优秀的如windows IOCP，但由于其windows系统用于服务器的局限性，目前应用范围较小；而Unix/Linux系统对纯异步的支持有限，应用事件驱动的主流还是通过select/epoll来实现；

适用场景

Reactor：同时接收多个服务请求，并且依次同步的处理它们的事件驱动程序； 
Proactor：异步接收和同时处理多个服务请求的事件驱动程序；

类图和序列图的源文件提供下载，详见Github《图说设计模式》的EA文档：

https://github.com/me115/design_patterns