网络系统 - Reactor & Proactor模型

演进

如果要让服务器服务多个客户端，那么最直接的方式就是为每一条连接创建线程。

其实创建进程也是可以的，原理是一样的，进程和线程的区别在于线程比较轻量级些，线程的创建和线程间切换的成本要小些，为了描述简述，后面都以线程为例。处理完业务逻辑后，随着连接关闭后线程也同样要销毁了，但是这样不停地创建和销毁线程，不仅会带来性能开销，也会造成浪费资源，而且如果要连接几万条连接，创建几万个线程去应对也是不现实的。

要这么解决这个问题呢？可以使用「资源复用」的方式。也就是不用再为每个连接创建线程，而是创建一个「线程池」，将连接分配给线程，然后一个线程可以处理多个连接的业务。

不过，这样又引来一个新的问题，线程怎样才能高效地处理多个连接的业务？当一个连接对应一个线程时，线程一般采用「read -> 业务处理 -> send」的处理流程，如果当前连接没有数据可读，那么线程会阻塞在 read 操作上（ socket 默认情况是阻塞 I/O），不过这种阻塞方式并不影响其他线程。

但是引入了线程池，那么一个线程要处理多个连接的业务，线程在处理某个连接的 read 操作时，如果遇到没有数据可读，就会发生阻塞，那么线程就没办法继续处理其他连接的业务。

要解决这一个问题，最简单的方式就是将 socket 改成非阻塞，然后线程不断地轮询调用 read 操作来判断是否有数据，这种方式虽然该能够解决阻塞的问题，但是解决的方式比较粗暴，因为轮询是要消耗 CPU 的，而且随着一个线程处理的连接越多，轮询的效率就会越低。

上面的问题在于，线程并不知道当前连接是否有数据可读，从而需要每次通过 read 去试探。

那有没有办法在只有当连接上有数据的时候，线程才去发起读请求呢？答案是有的，实现这一技术的就是 I/O 多路复用。I/O 多路复用技术会用一个系统调用函数来监听我们所有关心的连接，也就说可以在一个监控线程里面监控很多的连接。

熟悉的 select/poll/epoll 就是内核提供给用户态的多路复用系统调用，线程可以通过一个系统调用函数从内核中获取多个事件。

select/poll/epoll 在获取事件时，先把要关心的连接传给内核，再由内核检测：

如果没有事件发生，线程只需阻塞在这个系统调用，而无需像前面的线程池方案那样轮训调用 read 操作来判断是否有数据。
如果有事件发生，内核会返回产生了事件的连接，线程就会从阻塞状态返回，然后在用户态中再处理这些连接对应的业务即可。

当下开源软件能做到网络高性能的原因就是 I/O 多路复用吗？是的，基本是基于 I/O 多路复用，用过 I/O 多路复用接口写网络程序的同学，肯定知道是面向过程的方式写代码的，这样的开发的效率不高。

于是，大佬们基于面向对象的思想，对 I/O 多路复用作了一层封装，让使用者不用考虑底层网络 API 的细节，只需要关注应用代码的编写。

大佬们还为这种模式取了个让人第一时间难以理解的名字：Reactor 模式。Reactor 翻译过来的意思是「反应堆」，可能大家会联想到物理学里的核反应堆，实际上并不是的这个意思。这里的反应指的是「对事件反应」，也就是来了一个事件，Reactor 就有相对应的反应/响应。

事实上，Reactor 模式也叫 Dispatcher 模式，我觉得这个名字更贴合该模式的含义，即 I/O 多路复用监听事件，收到事件后，根据事件类型分配（Dispatch）给某个进程 / 线程。

Reactor 模式主要由 Reactor 和处理资源池这两个核心部分组成，它俩负责的事情如下：

Reactor 负责监听和分发事件，事件类型包含连接事件、读写事件；
处理资源池负责处理事件，如 read -> 业务逻辑 -> send；

Reactor 模式是灵活多变的，可以应对不同的业务场景，灵活在于：

Reactor 的数量可以只有一个，也可以有多个；
处理资源池可以是单个进程 / 线程，也可以是多个进程 /线程；

将上面的两个因素排列组合一下，理论上就可以有 4 种方案选择：

单 Reactor 单进程 / 线程；
单 Reactor 多进程 / 线程；
多 Reactor 单进程 / 线程；
多 Reactor 多进程 / 线程；

其中，「多 Reactor 单进程 / 线程」实现方案相比「单 Reactor 单进程 / 线程」方案，不仅复杂而且也没有性能优势，因此实际中并没有应用。

剩下的 3 个方案都是比较经典的，且都有应用在实际的项目中：

单 Reactor 单进程 / 线程；
单 Reactor 多线程 / 进程；
多 Reactor 多进程 / 线程；

方案具体使用进程还是线程，要看使用的编程语言以及平台有关：

Java 语言一般使用线程，比如 Netty;
C 语言使用进程和线程都可以，例如 Nginx 使用的是进程，Memcache 使用的是线程。

Reactor

单 Reactor 单进程 / 线程

一般来说，C 语言实现的是「单 Reactor 单进程」的方案，因为 C 语编写完的程序，运行后就是一个独立的进程，不需要在进程中再创建线程。而 Java 语言实现的是「单 Reactor 单线程」的方案，因为 Java 程序是跑在 Java 虚拟机这个进程上面的，虚拟机中有很多线程，写的 Java 程序只是其中的一个线程而已。

「单 Reactor 单进程」的方案示意图：

可以看到进程里有 Reactor、Acceptor、Handler 这三个对象：

Reactor 对象的作用是监听和分发事件；
Acceptor 对象的作用是获取连接；
Handler 对象的作用是处理业务；

对象里的 select、accept、read、send 是系统调用函数，dispatch 和「业务处理」是需要完成的操作，其中 dispatch 是分发事件操作。

接下来，介绍下「单 Reactor 单进程」这个方案：

Reactor 对象通过 select （IO 多路复用接口）监听事件，收到事件后通过 dispatch 进行分发，具体分发给 Acceptor 对象还是 Handler 对象，还要看收到的事件类型；
- 如果是连接建立的事件，则交由 Acceptor 对象进行处理，Acceptor 对象会通过 accept 方法获取连接，并创建一个 Handler 对象来处理后续的响应事件；
- 如果不是连接建立事件，则交由当前连接对应的 Handler 对象来进行响应；
Handler 对象通过 read -> 业务处理 -> send 的流程来完成完整的业务流程。

单 Reactor 单进程的方案因为全部工作都在同一个进程内完成，所以实现起来比较简单，不需要考虑进程间通信，也不用担心多进程竞争。

但是，这种方案存在 2 个缺点：

第一个缺点，因为只有一个进程，无法充分利用多核 CPU 的性能；
第二个缺点，Handler 对象在业务处理时，整个进程是无法处理其他连接的事件的，如果业务处理耗时比较长，那么就造成响应的延迟；

所以，单 Reactor 单进程的方案不适用计算机密集型的场景，只适用于业务处理非常快速的场景。

Redis 是由 C 语言实现的，在 Redis 6.0 版本之前采用的正是「单 Reactor 单进程」的方案，因为 Redis 业务处理主要是在内存中完成，操作的速度是很快的，性能瓶颈不在 CPU 上，所以 Redis 对于命令的处理是单进程的方案。

单 Reactor 多线程 / 多进程

如果要克服「单 Reactor 单线程 / 进程」方案的缺点，那么就需要引入多线程 / 多进程，这样就产生了单 Reactor 多线程 / 多进程的方案。

闻其名不如看其图，先来看看「单 Reactor 多线程」方案的示意图如下：

详细说一下这个方案：

Reactor 对象通过 select （IO 多路复用接口）监听事件，收到事件后通过 dispatch 进行分发，具体分发给 Acceptor 对象还是 Handler 对象，还要看收到的事件类型；
- 如果是连接建立的事件，则交由 Acceptor 对象进行处理，Acceptor 对象会通过 accept 方法获取连接，并创建一个 Handler 对象来处理后续的响应事件；
- 如果不是连接建立事件，则交由当前连接对应的 Handler 对象来进行响应；

上面的三个步骤和单 Reactor 单线程方案是一样的，接下来的步骤就开始不一样了：

Handler 对象不再负责业务处理，只负责数据的接收和发送，Handler 对象通过 read 读取到数据后，会将数据发给子线程里的 Processor 对象进行业务处理；
子线程里的 Processor 对象就进行业务处理，处理完后，将结果发给主线程中的 Handler 对象，接着由 Handler 通过 send 方法将响应结果发送给 client；

单 Reator 多线程的方案优势在于能够充分利用多核 CPU 的能力，那既然引入多线程，那么自然就带来了多线程竞争资源的问题。例如，子线程完成业务处理后，要把结果传递给主线程的 Handler 进行发送，这里涉及共享数据的竞争。

要避免多线程由于竞争共享资源而导致数据错乱的问题，就需要在操作共享资源前加上互斥锁，以保证任意时间里只有一个线程在操作共享资源，待该线程操作完释放互斥锁后，其他线程才有机会操作共享数据。

聊完单 Reactor 多线程的方案，接着来看看单 Reactor 多进程的方案。

事实上，单 Reactor 多进程相比单 Reactor 多线程实现起来很麻烦，主要因为要考虑子进程 <-> 父进程的双向通信，并且父进程还得知道子进程要将数据发送给哪个客户端。而多线程间可以共享数据，虽然要额外考虑并发问题，但是这远比进程间通信的复杂度低得多，因此实际应用中也看不到单 Reactor 多进程的模式。

另外，「单 Reactor」的模式还有个问题，因为一个 Reactor 对象承担所有事件的监听和响应，而且只在主线程中运行，在面对瞬间高并发的场景时，容易成为性能的瓶颈的地方。

多 Reactor 多进程 / 线程

要解决「单 Reactor」的问题，就是将「单 Reactor」实现成「多 Reactor」，这样就产生了第 多 Reactor 多进程 / 线程的方案。

多 Reactor 多进程 / 线程方案的示意图如下（以线程为例）：

方案详细说明如下：

主线程中的 MainReactor 对象通过 select 监控连接建立事件，收到事件后通过 Acceptor 对象中的 accept 获取连接，将新的连接分配给某个子线程；
子线程中的 SubReactor 对象将 MainReactor 对象分配的连接加入 select 继续进行监听，并创建一个 Handler 用于处理连接的响应事件。
如果有新的事件发生时，SubReactor 对象会调用当前连接对应的 Handler 对象来进行响应。
Handler 对象通过 read -> 业务处理 -> send 的流程来完成完整的业务流程。

多 Reactor 多线程的方案虽然看起来复杂的，但是实际实现时比单 Reactor 多线程的方案要简单的多，原因如下：

主线程和子线程分工明确，主线程只负责接收新连接，子线程负责完成后续的业务处理。
主线程和子线程的交互很简单，主线程只需要把新连接传给子线程，子线程无须返回数据，直接就可以在子线程将处理结果发送给客户端。

大名鼎鼎的两个开源软件 Netty 和 Memcache 都采用了「多 Reactor 多线程」的方案。

采用了「多 Reactor 多进程」方案的开源软件是 Nginx，不过方案与标准的多 Reactor 多进程有些差异。具体差异表现在主进程中仅仅用来初始化 socket，并没有创建 mainReactor 来 accept 连接，而是由子进程的 Reactor 来 accept 连接，通过锁来控制一次只有一个子进程进行 accept（防止出现惊群现象），子进程 accept 新连接后就放到自己的 Reactor 进行处理，不会再分配给其他子进程。

Reactor模型示例（Java实现）

对于上述Reactor模型，服务端主要有三个角色：Reactor，Acceptor和Handler。这里基于Doug Lea的文档对其进行了实现，如下是Reactor的实现代码：

public class Reactor implements Runnable {
  private final Selector selector;
  private final ServerSocketChannel serverSocket;

  public Reactor(int port) throws IOException {
    serverSocket = ServerSocketChannel.open();  // 创建服务端的ServerSocketChannel
    serverSocket.configureBlocking(false);  // 设置为非阻塞模式
    selector = Selector.open();  // 创建一个Selector多路复用器
    SelectionKey key = serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    serverSocket.bind(new InetSocketAddress(port));  // 绑定服务端端口
    key.attach(new Acceptor(serverSocket));  // 为服务端Channel绑定一个Acceptor
  }

  @Override
  public void run() {
    try {
      while (!Thread.interrupted()) {
        selector.select();  // 服务端使用一个线程不断等待客户端的连接到达
        Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
        Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
          dispatch(iterator.next());  // 监听到客户端连接事件后将其分发给Acceptor
          iterator.remove();
        }

        selector.selectNow();
      }
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }

  private void dispatch(SelectionKey key) throws IOException {
    // 这里的attachement也即前面为服务端Channel绑定的Acceptor，调用其run()方法进行
    // 客户端连接的获取，并且进行分发
    Runnable attachment = (Runnable) key.attachment();
    attachment.run();
  }
}

这里Reactor首先开启了一个ServerSocketChannel，然后将其绑定到指定的端口，并且注册到了一个多路复用器上。接着在一个线程中，其会在多路复用器上等待客户端连接。当有客户端连接到达后，Reactor就会将其派发给一个Acceptor，由该Acceptor专门进行客户端连接的获取。下面我们继续看一下Acceptor的代码：

public class Acceptor implements Runnable {
  private final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(20);

  private final ServerSocketChannel serverSocket;

  public Acceptor(ServerSocketChannel serverSocket) {
    this.serverSocket = serverSocket;
  }

  @Override
  public void run() {
    try {
      SocketChannel channel = serverSocket.accept();  // 获取客户端连接
      if (null != channel) {
        executor.execute(new Handler(channel));  // 将客户端连接交由线程池处理
      }
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

这里可以看到，在Acceptor获取到客户端连接之后，其就将其交由线程池进行网络读写了，而这里的主线程只是不断监听客户端连接事件。下面我们看看Handler的具体逻辑：

public class Handler implements Runnable {
  private volatile static Selector selector;
  private final SocketChannel channel;
  private SelectionKey key;
  private volatile ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(1024);
  private volatile ByteBuffer output = ByteBuffer.allocate(1024);

  public Handler(SocketChannel channel) throws IOException {
    this.channel = channel;
    channel.configureBlocking(false);  // 设置客户端连接为非阻塞模式
    selector = Selector.open();  // 为客户端创建一个新的多路复用器
    key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);  // 注册客户端Channel的读事件
  }

  @Override
  public void run() {
    try {
      while (selector.isOpen() && channel.isOpen()) {
        Set<SelectionKey> keys = select();  // 等待客户端事件发生
        Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
          SelectionKey key = iterator.next();
          iterator.remove();

          // 如果当前是读事件，则读取数据
          if (key.isReadable()) {
            read(key);
          } else if (key.isWritable()) {
           // 如果当前是写事件，则写入数据
            write(key);
          }
        }
      }
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }

  // 这里处理的主要目的是处理Jdk的一个bug，该bug会导致Selector被意外触发，但是实际上没有任何事件到达，
  // 此时的处理方式是新建一个Selector，然后重新将当前Channel注册到该Selector上
  private Set<SelectionKey> select() throws IOException {
    selector.select();
    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
    if (keys.isEmpty()) {
      int interestOps = key.interestOps();
      selector = Selector.open();
      key = channel.register(selector, interestOps);
      return select();
    }

    return keys;
  }

  // 读取客户端发送的数据
  private void read(SelectionKey key) throws IOException {
    channel.read(input);
    if (input.position() == 0) {
      return;
    }

    input.flip();
    process();  // 对读取的数据进行业务处理
    input.clear();
    key.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);  // 读取完成后监听写入事件
  }

  private void write(SelectionKey key) throws IOException {
    output.flip();
    if (channel.isOpen()) {
      channel.write(output);  // 当有写入事件时，将业务处理的结果写入到客户端Channel中
      key.channel();
      channel.close();
      output.clear();
    }
  }
    
  // 进行业务处理，并且获取处理结果。本质上，基于Reactor模型，如果这里成为处理瓶颈，
  // 则直接将其处理过程放入线程池即可，并且使用一个Future获取处理结果，最后写入客户端Channel
  private void process() {
    byte[] bytes = new byte[input.remaining()];
    input.get(bytes);
    String message = new String(bytes, CharsetUtil.UTF_8);
    System.out.println("receive message from client: \n" + message);

    output.put("hello client".getBytes());
  }
}

在Handler中，主要进行的就是为每一个客户端Channel创建一个Selector，并且监听该Channel的网络读写事件。当有事件到达时，进行数据的读写，而业务操作这交由具体的业务线程池处理。

Proactor

前面提到的 Reactor 是非阻塞同步网络模式，而 Proactor 是异步网络模式。

这里先给大家复习下阻塞、非阻塞、同步、异步 I/O 的概念。

先来看看阻塞 I/O，当用户程序执行 read ，线程会被阻塞，一直等到内核数据准备好，并把数据从内核缓冲区拷贝到应用程序的缓冲区中，当拷贝过程完成，read 才会返回。

注意，阻塞等待的是「内核数据准备好」和「数据从内核态拷贝到用户态」这两个过程。过程如下图：

非阻塞 I/O，非阻塞的 read 请求在数据未准备好的情况下立即返回，可以继续往下执行，此时应用程序不断轮询内核，直到数据准备好，内核将数据拷贝到应用程序缓冲区，read 调用才可以获取到结果。过程如下图：

注意，这里最后一次 read 调用，获取数据的过程，是一个同步的过程，是需要等待的过程。这里的同步指的是内核态的数据拷贝到用户程序的缓存区这个过程。

举个例子，如果 socket 设置了 O_NONBLOCK 标志，那么就表示使用的是非阻塞 I/O 的方式访问，而不做任何设置的话，默认是阻塞 I/O。

因此，无论 read 和 send 是阻塞 I/O，还是非阻塞 I/O 都是同步调用。因为在 read 调用时，内核将数据从内核空间拷贝到用户空间的过程都是需要等待的，也就是说这个过程是同步的，如果内核实现的拷贝效率不高，read 调用就会在这个同步过程中等待比较长的时间。

而真正的异步 I/O 是「内核数据准备好」和「数据从内核态拷贝到用户态」这两个过程都不用等待。当我们发起 aio_read （异步 I/O）之后，就立即返回，内核自动将数据从内核空间拷贝到用户空间，这个拷贝过程同样是异步的，内核自动完成的，和前面的同步操作不一样，应用程序并不需要主动发起拷贝动作。过程如下图：

很明显，异步 I/O 比同步 I/O 性能更好，因为异步 I/O 在「内核数据准备好」和「数据从内核空间拷贝到用户空间」这两个过程都不用等待。Proactor 正是采用了异步 I/O 技术，所以被称为异步网络模型。

现在我们再来理解 Reactor 和 Proactor 的区别，就比较清晰了。

Reactor 是非阻塞同步网络模式，感知的是就绪可读写事件。在每次感知到有事件发生（比如可读就绪事件）后，就需要应用进程主动调用 read 方法来完成数据的读取，也就是要应用进程主动将 socket 接收缓存中的数据读到应用进程内存中，这个过程是同步的，读取完数据后应用进程才能处理数据。
Proactor 是异步网络模式，感知的是已完成的读写事件。在发起异步读写请求时，需要传入数据缓冲区的地址（用来存放结果数据）等信息，这样系统内核才可以自动帮我们把数据的读写工作完成，这里的读写工作全程由操作系统来做，并不需要像 Reactor 那样还需要应用进程主动发起 read/write 来读写数据，操作系统完成读写工作后，就会通知应用进程直接处理数据。

因此，Reactor 可以理解为「来了事件操作系统通知应用进程，让应用进程来处理」，而 Proactor 可以理解为「来了事件操作系统来处理，处理完再通知应用进程」。这里的「事件」就是有新连接、有数据可读、有数据可写的这些 I/O 事件这里的「处理」包含从驱动读取到内核以及从内核读取到用户空间。

无论是 Reactor，还是 Proactor，都是一种基于「事件分发」的网络编程模式，区别在于 Reactor 模式是基于「待完成」的 I/O 事件，而 Proactor 模式则是基于「已完成」的 I/O 事件。

Proactor 模式的示意图：

Proactor 模式的工作流程：

Proactor Initiator 负责创建 Proactor 和 Handler 对象，并将 Proactor 和 Handler 都通过 Asynchronous Operation Processor 注册到内核；
Asynchronous Operation Processor 负责处理注册请求，并处理 I/O 操作；
Asynchronous Operation Processor 完成 I/O 操作后通知 Proactor；
Proactor 根据不同的事件类型回调不同的 Handler 进行业务处理；
Handler 完成业务处理；

可惜的是，在 Linux 下的异步 I/O 是不完善的， aio 系列函数是由 POSIX 定义的异步操作接口，不是真正的操作系统级别支持的，而是在用户空间模拟出来的异步，并且仅仅支持基于本地文件的 aio 异步操作，网络编程中的 socket 是不支持的，这也使得基于 Linux 的高性能网络程序都是使用 Reactor 方案。

而 Windows 里实现了一套完整的支持 socket 的异步编程接口，这套接口就是 IOCP，是由操作系统级别实现的异步 I/O，真正意义上异步 I/O，因此在 Windows 里实现高性能网络程序可以使用效率更高的 Proactor 方案。

总结

常见的 Reactor 实现方案有三种。

第一种方案单 Reactor 单进程 / 线程，不用考虑进程间通信以及数据同步的问题，因此实现起来比较简单，这种方案的缺陷在于无法充分利用多核 CPU，而且处理业务逻辑的时间不能太长，否则会延迟响应，所以不适用于计算机密集型的场景，适用于业务处理快速的场景，比如 Redis（6.0之前）采用的是单 Reactor 单进程的方案。

第二种方案单 Reactor 多线程，通过多线程的方式解决了方案一的缺陷，但它离高并发还差一点距离，差在只有一个 Reactor 对象来承担所有事件的监听和响应，而且只在主线程中运行，在面对瞬间高并发的场景时，容易成为性能的瓶颈的地方。

第三种方案多 Reactor 多进程 / 线程，通过多个 Reactor 来解决了方案二的缺陷，主 Reactor 只负责监听事件，响应事件的工作交给了从 Reactor，Netty 和 Memcache 都采用了「多 Reactor 多线程」的方案，Nginx 则采用了类似于「多 Reactor 多进程」的方案。

Reactor 可以理解为「来了事件操作系统通知应用进程，让应用进程来处理」，而 Proactor 可以理解为「来了事件操作系统来处理，处理完再通知应用进程」。

因此，真正的大杀器还是 Proactor，它是采用异步 I/O 实现的异步网络模型，感知的是已完成的读写事件，而不需要像 Reactor 感知到事件后，还需要调用 read 来从内核中获取数据。

不过，无论是 Reactor，还是 Proactor，都是一种基于「事件分发」的网络编程模式，区别在于 Reactor 模式是基于「待完成」的 I/O 事件，而 Proactor 模式则是基于「已完成」的 I/O 事件。

参考链接

来源：https://www.xiaolincoding.com/ ，Seven进行了部分补充完善