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I/O事件处理模型之Reactor和Proactor  

2014-10-28 01:30:40|  分类: Linux/ Shell |  标签: |举报 |字号 订阅

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Reactor模型

Reactor模式是处理并发I/O比较常见的一种模式,中心思想就是,将所有要处理的I/O事件注册到一个中心I/O多路复用器上,同时主线程阻塞在多路复用器上;一旦有I/O事件到来或是准备就绪(区别在于多路复用器是边沿触发还是水平触发),多路复用器返回并将相应I/O事件分发到对应的处理器中。

这里有三个重要的组件:

  • 多路复用器:由操作系统提供,在linux上一般是select, poll, epoll等系统调用。
  • 事件分发器:将多路复用器中返回的就绪事件分到对应的处理函数中。
  • 事件处理器:负责处理特定事件的处理函数。

因为这种模型经常使用,所有不少人对简单的系统调用做了一层封装,形成跨平台的事件处理库,比较典型的有:libevent,libev,boost asio等。

Proactor模型

与Reactor模型相对应,Proactor最大的特点是使用异步I/O。所有的I/O操作都交由系统提供的异步I/O接口去执行。Proactor多路复用器等待异步I/O完成,并调用相应的用户处理函数。为了对比Reactor模型,以一个read操作为例:

在Reactor中:

  • 将要读的文件描述符注册到多路复用器中。
  • 多路复用器等待上述描述符的可读事件以及其它所有已经注册过的事件。
  • 描述符变成可读之后,多路复用器返回,并调用用户提供的处理函数,开始读文件操作。

在Proactor中:

  • 用户函数启动一个异步读文件的操作。同时将这个操作注册到多路复用器上。多路复用器并不关心文件是否可读而是关心这个异步读操作是否完成。
  • 异步读文件是操作系统完成,用户程序不需要关心。多路复用器等待直到有完成通知到来。
  • 当操作系统完成了读文件操作——将读到的数据复制到了用户先前提供的缓冲区之后,通知多路复用器读操作已完成。
  • 多路复用器再调用相应的处理程序,处理数据。

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)。

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。


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引用:
http://my.oschina.net/solu/blog/111538
http://www.cnblogs.com/dawen/archive/2011/05/18/2050358.html
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