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两种高性能 I/O 设计模式 Reactor 和 Proactor  

2014-10-28 01:38:28|  分类: Linux/ Shell |  标签: |举报 |字号 订阅

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Reactor 和 Proactor 是基于事件驱动,在网络编程中经常用到两种设计模式。

曾经在一个项目中用到了网络库 libevent,也学习了一段时间,其内部实现所用到的就是 Reactor,所知道的还有 ACE;Proactor 模式的库有 Boost.Asio,ACE,暂时没有用过。但我也翻阅了一些文档,理解了它的实现方法。下面是我在学习这两种设计模式过程的笔记。

Reactor

Reactor,即反应堆。Reactor 的一般工作过程是首先在 Reactor 中注册(Reactor)感兴趣事件,并在注册时候指定某个已定义的回调函数(callback);当客户端发送请求时,在 Reactor 中会触发刚才注册的事件,并调用对应的处理函数。在这一个处理回调函数中,一般会有数据接收、处理、回复请求等操作。

reactor_pattern

libevent 采用的就是 Reactor 的设计思想。其 Reactor 的中心思想是众所周知的 I/O 多路复用:select,poll,epoll,kqueue 等.libevent 精彩的将定时事件,信号处理,I/O 事件结合在在一起,也就是说用户同时在 Reactor 中注册上述三类事件。遗憾的是,libevent 不支持多线程,也就是说它同步处理请求,导致不能处理大量的请求;这样并不是说 Reactor 实现的网络库都不支持多线程,而是 libevent 本身的原因,我们也可以通过修改让 ilbevent 支持多线程,并发处理多个请求。

下面是 libevent 的一段代码,大概能够说明 Reactor 工作模式:

/*accept callback function.*/
void accept_callback(int fd,
                     short ev,void *arg)
{
    ......
}
......
struct event accept_event;
event_set(&accept_event,
        socketlisten,
        EV_READ|EV_PERSIST,
        accept_callback,
        NULL);
 
event_add(&accept_event,
        NULL);
 
event_dispatch();

Proactor

从上面 Reactor 模式中,发现服务端数据的接收和发送都占用了用户状态(还有一种内核态),这样服务器的处理操作就在数据的读写上阻塞花费了时间,节省这些时间的办法是借助操作系统的异步读写;异步读写在调用的时候可以传递回调函数或者回送信号,当异步操作完毕,内核会自动调用回调函数或者发送信号。Proactor 就是这么做的,所以很依赖操作系统。来一幅 UML:

proactor_uml

和时序图:

proactor_timing_diagram

注:这两幅美艳的图片来自 Proactor.doc,下面会提到.

Proactor 的实现主要有三个部分:异步操作处理器,Proactor 和 事件处理函数。其中:

- 异步操作处理器,很依赖操作系统的异步处理机制,如若操作系统没有实现,我们可以自行模拟,即开专门的数据读写线程,数据读写完毕触发相应的时间(如果有注册的话);
- Proactor,会接收异步操作的提醒,调用相应的事件处理函数,它有自己的 event loop;
- 事件处理函数,事件触发,执行操作;

曾经看过 Proactor.doc,作者是 Douglas C. Schmidt,你可以在这里阅读此文档。里面的关于 Proactor 的讲解很精彩,部分摘抄和自己的理解如下:当连接 web 服务器时:

proactor_web_connect

  • web 服务器指定(1)接收器,此接收器相当于服务器的客户端,它可以启动异步的 accept 操作;
  • 接收器调用操作系统上的异步接收操作(2),并传递自己和 Proactor 的引用;异步接收操作结束后,前者用作事件处理函数,后者会回过头来分发事件;注:传递 Proactor 是为了让操作系统通知正确的 Proactor,可能会存在多个 Proactor;传递接收器自己是为了在异步接收操作结束后 Proactor 能调用正确的事件处理函数,以下同理。
  • web 服务器调用 Proactor 的事件循环;(3)
  • web 浏览器连接 web 服务器;(4)
  • 异步接收操作结束后,操作系统产生事件(通过回调或者信号)并通知 Proactor(5),Proactor 收到后会调用相应的事件处理函数,即交由接收器处理;(6)
  • 接收器生成 HTTP 处理器,执行操作;(7)
  • HTTP 处理器解析事件,启动异步读操作(8),获取来自浏览器的 GET 请求。同样,HTTP 处理器传递自己和 Proactor 的引用;
  • web 服务器的控制权交还回 Proactor 的事件循环。(9)

接收 GET 请求过后,会处理数据:

proactor_web_service

  • 浏览器发送(1)一个 HTTP GET 请求;
  • 异步读操作结束后,操作系统会通知 Proactor,Proactor 分发给事件处理函数;(2,3)
  • 事件处理器解析请求。(4)2-4 步骤会重复,指导所有的数据都接收为止;
  • 事件处理器产生答复数据;(5)
  • HTTP 处理器启动异步写操作(6),传输应答数据,同样的这里还会传递处理器自己和 Proactor;
  • 异步写操作结束,操作系统通知 Proactor(7),Proactor 分发给事件处理函数(8)。6-8 步骤会重复直到所有的数据写完为止。至此,一个请求回复完成。

总结

相比网络编程中最简单的思路模式:bind,listen,accept,read,server operator,write,Reactor 和 Proactor 是两种高性能的设计模式,掌握此两种模式,有助于理解一些网络库的工作流程。此文提到了两种设计模式,但没有一些技术细节,譬如多线程同步。如果在 Reactor 中支持多线程,或多个线程共享一个 Proactor,线程的同步问题就来了。共享一篇印象笔记关于线程的综合讨论:这里.

Comparing Two High-Performance I/O Design Patterns》提到一个将 Reactor 模拟 Proactor 而不借助操作系统异步机制的方法:同样在 Reactor 注册感兴趣的事件(比如读),当事件发生时,执行非阻塞的读,读毕即才调用数据处理——假异步。

最后,实践出真知。欢迎讨论。

参考:

- Proactor.pdf,http://www.laputan.org/pub/sag/proactor.pdf

- 《Comparing Two High-Performance I/O Design Patterns》,http://www.artima.com/articles/io_design_patterns.html

- 《libevent源码深度剖析》,http://blog.csdn.net/sparkliang/article/details/4957667

- 《 IO - 同步,异步,阻塞,非阻塞 (亡羊补牢篇)》,http://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378


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原文:http://www.cnblogs.com/daoluanxiaozi/p/3274925.html




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