(转)I/O事件处理模型之Reactor模型和Proactor模型
本文转自：http://www.tbdazhe.com/archives/171
作者：海鹏的博客
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。
Reactor这个词译成汉语还真没有什么合适的，很多地方叫反应器模式，但更多好像就直接叫reactor模式了，其实我觉着叫应答者模式更好理解一些。通过了解，这个模式更像一个侍卫，一直在等待你的召唤，或者叫召唤兽。
并发系统常使用reactor模式，代替常用的多线程的处理方式，节省系统的资源，提高系统的吞吐量。
先用比较直观的方式来介绍一下这种方式的优点，通过和常用的多线程方式比较一下，可能更好理解。
以一个餐饮为例，每一个人来就餐就是一个事件，他会先看一下菜单，然后点餐。就像一个网站会有很多的请求，要求服务器做一些事情。处理这些就餐事件的就需要我们的服务人员了。
在多线程处理的方式会是这样的：
一个人来就餐，一个服务员去服务，然后客人会看菜单，点菜。 服务员将菜单给后厨。
二个人来就餐，二个服务员去服务……
五个人来就餐，五个服务员去服务……
这个就是多线程的处理方式，一个事件到来，就会有一个线程服务。很显然这种方式在人少的情况下会有很好的用户体验，每个客人都感觉自己是VIP，专人服务的。如果餐厅一直这样同一时间最多来5个客人，这家餐厅是可以很好的服务下去的。
来了一个好消息，因为这家店的服务好，吃饭的人多了起来。同一时间会来10个客人，老板很开心，但是只有5个服务员，这样就不能一对一服务了，有些客人就要没有人管了。老板就又请了5个服务员，现在好了，又能每个人都受VIP待遇了。
越来越多的人对这家餐厅满意，客源又多了，同时来吃饭的人到了20人，老板高兴不起来了，再请服务员吧，占地方不说，还要开工钱，再请人就攒不到钱了。怎么办呢？老板想了想，10个服务员对付20个客人也是能对付过来的，服务员勤快点就好了，伺候完一个客人马上伺候另外一个，还是来得及的。综合考虑了一下，老板决定就使用10个服务人员的线程池啦~~~
但是这样有一个比较严重的缺点就是，如果正在接受服务员服务的客人点菜很慢，其他的客人可能就要等好长时间了。有些火爆脾气的客人可能就等不了走人了。
Reactor如何处理这个问题呢：
老板后来发现，客人点菜比较慢，大部服务员都在等着客人点菜，其实干的活不是太多。老板能当老板当然有点不一样的地方，终于发现了一个新的方法，那就是：当客人点菜的时候，服务员就可以去招呼其他客人了，等客人点好了菜，直接招呼一声“服务员”，马上就有个服务员过去服务。嘿嘿，然后在老板有了这个新的方法之后，就进行了一次裁员，只留了一个服务员！这就是用单个线程来做多线程的事。
实际的餐馆都是用的Reactor模式在服务。一些设计的模型其实都是从生活中来的。
Reactor模式主要是提高系统的吞吐量，在有限的资源下处理更多的事情。
在单核的机上，多线程并不能提高系统的性能，除非在有一些阻塞的情况发生。否则线程切换的开销会使处理的速度变慢。就像你一个人做两件事情，1、削一个苹果。2、切一个西瓜。那你可以一件一件的做，我想你也会一件一件的做。如果这个时候你使用多线程，一会儿削苹果，一会切西瓜，可以相像究竟是哪个速度快。这也就是说为什么在单核机上多线程来处理可能会更慢。
但当有阻碍操作发生时，多线程的优势才会显示出来，现在你有另外两件事情去做，1、削一个苹果。2、烧一壶开水。我想没有人会去做完一件再做另一件，你肯定会一边烧水，一边就把苹果削了。
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。
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