关于Reactor模型

潇洒

发布于 2023-10-20 12:26:04

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发布于 2023-10-20 12:26:04

文章被收录于专栏：石头岛石头岛

核心思想：分治

看了一些 Reactor 相关的文章和资料，列举的一些 Reactor 模型的优点，包括极客时间的文章也有讲过在架构中的Reactor中的优点和缺点。但是如果不使用 Reactor 模型的一般方式是什么样子的?会有什么问题？

思想：分而治之+事件驱动

1）分而治之一个连接里完整的网络处理过程一般分为accept、read、decode、process、encode、send这几步。 Reactor模式将每个步骤映射为一个Task，服务端线程执行的最小逻辑单元不再是一次完整的网络请求，而是Task，且采用非阻塞方式执行。

2）事件驱动每个Task对应特定网络事件。当Task准备就绪时，Reactor收到对应的网络事件通知，并将Task分发给绑定了对应网络事件的Handler执行。

3）几个角色 reactor：负责绑定管理事件和处理接口； selector：负责监听响应事件，将事件分发给绑定了该事件的Handler处理； Handler：事件处理器，绑定了某类事件，负责执行对应事件的Task对事件进行处理； Acceptor：Handler的一种，绑定了connect事件。当客户端发起connect请求时，Reactor会将accept事件分发给Acceptor处理。

Reactor是什么？

事件驱动
可以处理一个或多个输入源
通过多路复用将请求的事件分发给对应的处理器处理

Reactor模式首先是事件驱动的，有一个或多个并发输入源，有一个Service Handler，有多个Request Handlers；这个Service Handler会同步的将输入的请求（Event）多路复用的分发给相应的Request Handler。

从结构上，这有点类似生产者消费者模式，即有一个或多个生产者将事件放入一个Queue中，而一个或多个消费者主动的从这个Queue中Poll事件来处理；而Reactor模式则并没有Queue来做缓冲，每当一个Event输入到Service Handler之后，该Service Handler会主动的根据不同的Event类型将其分发给对应的Request Handler来处理。

Reactor模式结构

在解决了什么是Reactor模式后，我们来看看Reactor模式是由什么模块构成。

Handle：即操作系统中的句柄，是对资源在操作系统层面上的一种抽象，它可以是打开的文件、一个连接(Socket)、Timer等。由于Reactor模式一般使用在网络编程中，因而这里一般指Socket Handle，即一个网络连接（Connection，在Java NIO中的Channel）。这个Channel注册到Synchronous Event Demultiplexer中，以监听Handle中发生的事件，对ServerSocketChannnel可以是CONNECT事件，对SocketChannel可以是READ、WRITE、CLOSE事件等。
Synchronous Event Demultiplexer：阻塞等待一系列的Handle中的事件到来，如果阻塞等待返回，即表示在返回的Handle中可以不阻塞的执行返回的事件类型。这个模块一般使用操作系统的select来实现。在Java NIO中用Selector来封装，当Selector.select()返回时，可以调用Selector的selectedKeys()方法获取Set，一个SelectionKey表达一个有事件发生的Channel以及该Channel上的事件类型。上图的Synchronous Event Demultiplexer ---notifies--> Handle”的流程如果是对的，那内部实现应该是select()方法在事件到来后会先设置Handle的状态，然后返回。不了解内部实现机制，因而保留原图。
Initiation Dispatcher：用于管理Event Handler，即EventHandler的容器，用以注册、移除EventHandler等；另外，它还作为Reactor模式的入口调用Synchronous Event Demultiplexer的select方法以阻塞等待事件返回，当阻塞等待返回时，根据事件发生的Handle将其分发给对应的Event Handler处理，即回调EventHandler中的handle_event()方法。
Event Handler：定义事件处理方法：handle_event()，以供InitiationDispatcher回调使用。
Concrete Event Handler：事件EventHandler接口，实现特定事件处理逻辑。

为什么需要 Reactor 模型

最最原始的网络编程思路就是服务器用一个while循环，不断监听端口是否有新的套接字连接，如果有，那么就调用一个处理函数处理，类似：

while(true){
  socket = accept();
  handle(socket)
}

这种方法的最大问题是无法并发，效率太低，如果当前的请求没有处理完，那么后面的请求只能被阻塞，服务器的吞吐量太低。之后，想到了使用多线程，也就是很经典的connection per thread，每一个连接用一个线程处理，类似：

while(true){
  socket = accept();
  new thread(socket);
}

tomcat服务器的早期版本确实是这样实现的。多线程的方式确实一定程度上极大地提高了服务器的吞吐量，因为之前的请求在read阻塞以后，不会影响到后续的请求，因为他们在不同的线程中。这也是为什么通常会讲“一个线程只能对应一个socket”的原因。最开始对这句话很不理解，线程中创建多个socket不行吗？语法上确实可以，但是实际上没有用，每一个socket都是阻塞的，所以在一个线程里只能处理一个socket，就算accept了多个也没用，前一个socket被阻塞了，后面的是无法被执行到的。

缺点在于资源要求太高，系统中创建线程是需要比较高的系统资源的，如果连接数太高，系统无法承受，而且，线程的反复创建-销毁也需要代价。线程池本身可以缓解线程创建-销毁的代价，这样优化确实会好很多，不过还是存在一些问题的，就是线程的粒度太大。每一个线程把一次交互的事情全部做了，包括读取和返回，甚至连接，表面上似乎连接不在线程里，但是如果线程不够，有了新的连接，也无法得到处理，所以，目前的方案线程里可以看成要做三件事，连接，读取和写入。线程同步的粒度太大了，限制了吞吐量。应该把一次连接的操作分为更细的粒度或者过程，这些更细的粒度是更小的线程。整个线程池的数目会翻倍，但是线程更简单，任务更加单一。这其实就是Reactor出现的原因，在Reactor中，这些被拆分的小线程或者子过程对应的是handler，每一种handler会出处理一种event。这里会有一个全局的管理者selector，我们需要把channel注册感兴趣的事件，那么这个selector就会不断在channel上检测是否有该类型的事件发生，如果没有，那么主线程就会被阻塞，否则就会调用相应的事件处理函数即handler来处理。典型的事件有连接，读取和写入，当然我们就需要为这些事件分别提供处理器，每一个处理器可以采用线程的方式实现。一个连接来了，显示被读取线程或者handler处理了，然后再执行写入，那么之前的读取就可以被后面的请求复用，吞吐量就提高了。