3>I/O事件处理模型之Reactor和Proactor

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在编写服务端软件的时候，如何处理各种I/O事件是其中很重要的一部分。在Unix Network Programming中介绍了5种Unix/Linux下可用的I/O编程模型：1)阻塞式I/O; 2)非阻塞式I/O; 3)I/O复用; 4)信号驱动式I/O; 5)异步I/O。这几种都是基本的I/O编程模型，可以单独使用其中一种，也可以组合使用。为了应对高并发量的情形，在C10K Problem中另外总结了5种高性能的I/O编程模型：1) 单线程非阻塞式水平触发I/O(Serve many clients with each thread, and use nonblocking I/O and level-triggered readiness notification); 2) 单线程非阻塞式边沿触发I/O(Serve many clients with each thread, and use nonblocking I/O and readiness change notification); 3) 多线程异步I/O模型(Serve many clients with each server thread, and use asynchronous I/O); 4) 单个服务线程对应单个客户(Serve one client with each server thread); 5) 将服务线程放到内核(Build the server code into the kernel)。本文介绍的两种模型都是基于I/O多路复用的单线程处理模型。

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：(工作线程需要自己负责读取或写入信息，然后进行逻辑处理)

• 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：(工作线程只需要负责发出读取或写入的操作，对自己提供的数据缓冲区就行逻辑处理)

• 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。

 

评论：

boost asio用的是preactor模式。。。楼主不要误导人啊。reactor是指有IO事件到来的时候通知用户线程进行IO操作。而preactor模式是指用户线程提交IO操作，只要等待IO完成事件(然后进行处理)就可以了。LINUX下的EPOLL是reactor模式，windows下的iocp是preactor模式。

 

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Linux不完整支持AIO

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。
 与如下Proactor（真异步）中的读过程比较：
 - 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。