【I/O】基于事件驱动的 I/O 模型---Reactor

Reactor 模型

BIO 到 I/O 多路复用

为每个连接都创建一个线程

假设我们现在有一个服务器，想要对接多个客户端，那么最简单的方法就是服务端为每个连接都创建一个线程，处理完业务逻辑后，随着连接关闭线程也要销毁，但是这样线程创建和销毁，不仅会带来性能开销也会带来资源浪费，如果同时有几万个连接，创建几万个线程是不现实的。

使用线程池优化

我们很容易想到使用线程池来优化，也就是不再为每个连接都创建一个线程，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业务，不过这样的话又会有一个新的问题，当一个连接对应一个线程的时候，线程的处理流程一般是 read -> 业务处理 -> send，当没有数据可读的时候，线程会阻塞在 read 上，所以我们在使用线程池的时候，如果某个线程阻塞在了 read 上，它是没有办法继续处理其他连接的业务。

要解决这一问题，我们需要将连接改为「非阻塞」的，然后线程不断轮询调用 read 操作来查看是否有数据可读，但是轮询也是需要消耗 CPU 的，同时一个线程管理的连接越多轮询的消耗也就越大。

I/O 多路复用

线程池带来的问题在于，线程不知道当前连接是否有数据可读，因此需要不断的轮询进行 read 操作去检测哪个连接有数据可读。I/O 多路复用可以很好的解决这一问题，I/O 多路复用使得只有当连接上有数据的时候，才去发起 read 操作，I/O 多路复用会用一个系统调用函数（select() poll() epoll() ）来监听我们所关心的连接，通过系统调用可以从内核中获取多个事件。

在获取事件时，先把我们关心的连接发送个内核，在有内核进行检测：

如果没有事件发生，线程只需要阻塞这个系统调用，而无需像前面的线程池方案那样轮询调用 read 操作
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，然后在用户态再处理这些连接的业务即可

Reactor 模型

Reactor 模型： I/O 多路复用监听事件，收到事件后，根据事件类型分配给某个线程。

Reactor 主要由 Reactor 和处理资源池两个核心部分组成：

Reactor 负责监听和分发事件，事件包括连接事件、读写事件
处理资源池负责处理事件，如 read -> 业务处理 -> send

单 Reactor 单线程

三个对象 Reactor、Acceptor、Handler

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

在这里插入图片描述

select、accept、read、send 是系统调用函数，dispatch 是事件分发操作

流程：

Reactor 对象通过 select 监听事件，收到事件后通过 dispatch 进行分发
如果事件是建立连接的事件，则交由 Acceptor 对象进行处理，Acceptor 对象会通过 accept 方法获取连接，并将连接注册到 select 上，然后创建一个 Handler 对象来处理后续的响应事件
如果不是连接创建事件，则交由对应的 Handler 对象来进行处理
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 单线程方案，所有的工作都在一个线程上完成，实现简单，但有两个缺点：

只有一个线程，无法利用多核 CPU 的优势
Handler 对象在业务处理时，整个线程无法处理其他连接的事件，如果业务耗时比较长的话，会出现响应延迟

单 Reactor 多线程

在这里插入图片描述

流程：

Reactor 对象通过 select 监听事件，收到事件后通过 dispatch 分发事件
如果是连接事件，则将其分发给 Acceptor 对象进行处理，Acceptor 对象通过 accept 方法获取连接，并将连接注册到 select ，然后创建一个 Handler 对象来处理后续的响应事件
如果不是创建连接事件，则交由对应的 Handler 对象进行处理
Handler 对象不再进行业务处理，只负责数据的接收和发送，Handler 对象通过 read 方法读取连接中的数据后，会将数据发送给子线程里的 Processor 对象进行业务处理
子线程的 Processor 对象就进行业务处理，业务处理完成后，将结果发送给主线程中的 Handler 对象，接着由 Handler 对象负责将结果使用send方法发送给客户端

单 Reactor 多线程方案能够充分利用多核 CPU 的能力，但是即使业务处理是采用线程池多线程的进行，但是最后还是要靠主线程的 Handler 进行发送，这就带来了 多线程共享数据竞争 的问题，要避免这个问题就不得不在访问共享数据是加上互斥锁，来保证在任一时间内只有一个线程访问共享数据。

单 Reactor 单线程方案还有一个问题，一个 Reactor 担任事件的监听和分发任务，而且是在主线程中进行的，在面对瞬时间的高并发场景，很容易成为性能的瓶颈

多 Reactor 多线程

在这里插入图片描述

流程：

主线程的 MainReactor 通过 select 只监听建立连接事件，收到事件后交给 Acceptor 对象，Acceptor 对象通过 accept 获取连接，随后 MainReactor 将新的连接分配给某个子线程
子线程的 SubReactor 对象将主线程分配的连接注册到 select 上继续进行监听，并创建一个 Handler 对象进行后续连接的响应事件
如果有新的事件发生，SubReactor 会调用对应连接的 Handler 进行事件响应
Handler 对象通过 read -> 业务处理 -> send 的流程来完成完整的业务流程

优点：