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浅谈应用服务器前端框架常见的Reactor架构模式

中间件技术讨论圈 2016-02-03
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Reactor模式是一个架构模式,它主要解决的问题是高并发场景下的服务器前端的性能问题。

举个例子,原来的服务器与客户端的链接是一对一的,也就是说一个客户端socket接到后,对应一个线程去接收和处理:


这种模式的好处,是思路很清晰,一个线程处理一个socket请求,但是这种太消耗线程资源,因为毕竟socket不是实时都有数据接入的,

网卡属于是典型的慢速设备,因此,如何能高效的利用一些模式,可以改变这种局面,这个时候Reactor模式就出来了。


上述的图就是基于socket的Reactor模式的模拟,什么意思?

socket作为文件fd,被多路事件分离器监听,这个多路事件分离器说大白话就是Select,poll这种IO多路复用的机制,select将事件分离出来后,

委托给反应器去寻找创建对应的事件处理器,当创建完成后,以后有socket事件进来,直接由select分离出来,交由对应的Handler去处理。

Reactor模式其实最初其实来源于 华盛顿大学 Douglas C.Schmdt的一篇论文:


最早的解决问题是分布式日志系统,问题和前面的问题类似,不能每一个线程针对于慢速的设备,如上图所示,慢速设备有数据库,还有更慢的打印机。

这篇论文中的类图比较精确:


标准的Reactor模式图一共有5个角色:

描述符(handle):

由操作系统提供,用于识别每一个事件,如Socket描述符、文件描述符等。在Linux中,它用一个整数来表示。

事件可以来自外部,如来自客户端的连接请求、数据等。事件也可以来自内部,如定时器事件。

=====》实际就是一个文件描述符fd,socket描述符。

同步事件分离器(demultiplexer):

是一个函数,用来等待一个或多个事件的发生。调用者会被阻塞,直到分离器分离的描述符集上有事件发生。

Linux的select函数是一个经常被使用的分离器。

=====》实际就是select这种IO多路复用机制。

事件处理器接口(event handler):

是由一个或多个模板函数组成的接口。这些模板函数描述了和应用程序相关的对某个事件的操作。

===》业务需要实现的接口

具体的事件处理器:

是事件处理器接口的实现。它实现了应用程序提供的某个服务。

每个具体的事件处理器总和一个描述符相关。它使用描述符来识别事件、识别应用程序提供的服务。

===》业务handler的类

Reactor 管理器(reactor):

定义了一些接口,用于应用程序控制事件调度,以及应用程序注册、删除事件处理器和相关的描述符。它是事件处理器的调度核心。

Reactor管理器使用同步事件分离器来等待事件的发生。

一旦事件发生,Reactor管理器先是分离每个事件,然后调度事件处理器,最后调用相关的模 板函数来处理这个事件。

===》管控整个Reactor的具体的类。

对于类图的描述已经比较清晰了,其实对Reactor实现的最好实现在C++的ACE框架上,

ACE框架用于替代传统socket这种编程方式的,提供了很多封装的模式的框架,其中有一个模式,就叫Reactor框架。

上述的几个角色,在Reactor框架都有非常明确的对应关系,但是ACE的整体类图和Reactor还略有区别,加了一些基于时间的事件调度的内容。


Reactor对应的就是ACE的Reactor,负责handler注册,和整个Reactor模式的管控;

具体的事件源,也就是handle,并没有在这张图中出现,其实也就是对应的fd,和socket的文件描述符等事件产生源;

多路复用事件分离器,其实就是操作系统中的select,poll等机制,因为ACE框架是对操作系统层面的系统调用的封装,因此对应的操作系统的机制并没有在ACE类图中。

Event Handler接口就是对应的事件接口,ACE将这个Reactor的接口标准化了,供应用自己去实现自己的Event Handler;

Application Event Handler是对应的应用的事件Handler,继承自Event Handler接口;

上图中其实已经可以满足了Reactor模式了,但是对于ACE Reactor框架,还提供了诸如定时任务队列等的支持,见上面类图的左侧部分,功能可谓非常强大。


在Java中,其实大家都非常比较清楚了,NIO其实也比较类似Reactor模式。

Selector可以理解为操作系统底层映射到java API层级的一个多路复用事件的分离器。

SelectionKey其实就是对应的事件,如socket read,socket listen,accept等等。

当对应的事件触发之后,NIO需要你自己针对于SelectionKey中的事件进行if else的判断,而这部分就没有用到Handler,

当然,如ServerSocketChannel,FileChannel对应的事件就那么几个,完全自己可以封装一个完美的Reactor框架。


总结一下,Reactor模式产生的年头较早,它最初解决的问题是一客户端连接一线程模型种,针对于慢速客户端如打印机等的线程时间片的浪费问题,

后期逐渐演变为服务器前端架构模式,ACE,JAVA的NIO都是基于Reactor的实现案例。


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