我們都知道，科技領(lǐng)域的很多思維其實都是來自于現(xiàn)實生活，比如今天要分享的高性能網(wǎng)絡(luò)通信模型 Reactor 和 Proactor，這巧妙的設(shè)計思維相當(dāng)哇塞。

一、為什么要學(xué)習(xí)

萬丈高樓平地起，要想在技術(shù)上有所成就，就一定要修練好內(nèi)功。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，技術(shù)更迭的速度也是超乎想象，也許花大力氣掌握的技能幾年就過時了（比如 JSP，sturts/sturts2），但是有一些東西卻是歷久彌新，比如：架構(gòu)思想，設(shè)計思維，掌握了這些精髓，可以幫助你快速適應(yīng)技術(shù)更迭。Reactor 和 Proactor 是網(wǎng)絡(luò) IO 處理中兩個經(jīng)典的高性能模型，學(xué)習(xí)它們可以在網(wǎng)絡(luò) IO 處理上獲得不一樣的認(rèn)知，兩個模型可以高度抽象為下圖：

二、Reactor模型

1.定義

Reactor，中文翻譯為”反應(yīng)器”，它是一個被動過程，可以理解為”當(dāng)接收到客戶端事件后，Reactor 會根據(jù)事件類型來調(diào)用相應(yīng)的代碼進(jìn)行處理”。Reactor 模型也叫 Dispatcher 模式，底層是 I/O 多路復(fù)用結(jié)合線程池，主要是用于服務(wù)器端處理高并發(fā)網(wǎng)絡(luò) IO 請求。Reactor 模型的核心思想可以總結(jié)成 2個”3種”：

• 3種事件：連接事件、讀事件、寫事件；
• 3種角色：reactor、acceptor、handler；

2.事件

• 客戶端向服務(wù)器端發(fā)送連接請求，該請求對應(yīng)了服務(wù)器的一個連接事件；
• 連接建立后，客戶端給服務(wù)器端發(fā)送寫請求，服務(wù)器端收到請求，需要從請求中讀取內(nèi)容，這就對應(yīng)了服務(wù)器的讀事件；
• 服務(wù)器經(jīng)過處理后，把結(jié)果值返回給客戶端，這就對應(yīng)了服務(wù)器的寫事件；

事件的描述可以參考下圖：

3.角色

上述描述了 Reactor 的事件，每個事件都需要有一個專門的負(fù)責(zé)人，在 Reactor 模型中，這個負(fù)責(zé)人就是角色，其說明如下：

• 連接事件由 acceptor 來處理，只負(fù)責(zé)接收連接；acceptor 在接收連接后，會創(chuàng)建 handler，用于網(wǎng)絡(luò)連接上對后續(xù)讀寫事件的處理；
• 讀寫事件由 handler 處理，處理完后響應(yīng)客戶端；
• 在連接事件、讀寫事件會同時發(fā)生的高并發(fā)場景中，需要reactor 角色專門監(jiān)聽和分配事件：連接事件交由 acceptor 處理；讀寫請求交由 handler 處理；

4.Reactor 線程模型

Reactor 線程模型有單 Reactor 單線程模型、單 Reactor 多線程模型、多 Reactor 多線程模型 三種。

(1) 單Reactor單線程模型

單 Reactor 單線程模型，很容易理解：接受請求、業(yè)務(wù)處理、響應(yīng)請求都在一個線程中處理。

① 模型抽象

② 工作原理

• Reactor 通過 select函數(shù)監(jiān)聽事件，收到事件后通過 dispatch 分發(fā)給 Acceptor 或 Handler；
• 如果監(jiān)聽到 client 的連接事件，則分發(fā)給 Acceptor 處理，Acceptor 通過 accept 接受連接，并創(chuàng)建一個 Handler 來處理連接后續(xù)的各種事件；
• 如果不是連接建立事件，則 Reactor 會調(diào)用連接對應(yīng)的 Handler（步驟2創(chuàng)建的 Handler）來進(jìn)行響應(yīng)；
• Handler 通過：read-> 業(yè)務(wù)處理 ->send 流程完成完整業(yè)務(wù)流程；

③ 優(yōu)缺點

優(yōu)點是簡單，不存在線程競爭，缺點是無法充分利用和發(fā)揮多核 CPU 的性能，當(dāng)業(yè)務(wù)耗時很長時，容易造成阻塞。

④ 案例

• Redis6.0以下的版本使用的是 單 Reactor 單線程模型，因為 Redis使用的是內(nèi)存，CPU不是性能瓶頸，所以單 Reactor 單線程模型可以支持 Redis 單機(jī)服務(wù)的高性能，下篇公眾號文章，我會分享 Redis是如何駕馭 Reactor模型和 IO 多路復(fù)用機(jī)制。
• Netty4 通過參數(shù)配置，可以使用單 Reactor 單線程模型；

(2) 單Reactor多線程模型

鑒于單 Reactor 單線程模式無法充分利用和發(fā)揮多核 CPU 的性能，于是就誕生了單 Reactor 多線程模型。

① 模型抽象圖

② 工作原理

• 在主線程中，Reactor 對象通過 select 監(jiān)控事件，收到事件后通過 dispatch 分發(fā)給 Acceptor 或 Handler；
• 如果監(jiān)聽到 client 的連接事件，則分發(fā)給 Acceptor 處理，Acceptor 通過 accept 接受連接，并創(chuàng)建一個 Handler 來處理連接后續(xù)的各種事件；
• 如果不是連接建立事件，則 Reactor 會調(diào)用連接對應(yīng)的 Handler（步驟2創(chuàng)建的 Handler）來進(jìn)行響應(yīng)。注意，此模型的 Handler 只負(fù)責(zé)響應(yīng)事件，不進(jìn)行業(yè)務(wù)處理；
• Handler 通過 read 讀取到數(shù)據(jù)后，會發(fā)給 Processor 進(jìn)行業(yè)務(wù)處理；
• Processor 會在獨立的子線程中完成真正的業(yè)務(wù)處理，然后將響應(yīng)結(jié)果發(fā)給主線程的 Handler 處理；Handler 收到響應(yīng)后通過 send 將響應(yīng)結(jié)果返回給 client；

③ 優(yōu)點

采用了線程池來處理業(yè)務(wù)邏輯，能夠充分利用多 CPU 的處理能力

④ 缺點

• 多線程數(shù)據(jù)共享和訪問比較復(fù)雜。例如，子線程完成業(yè)務(wù)處理后，要把結(jié)果傳遞給主線程的 Reactor 進(jìn)行發(fā)送，這里涉及共享數(shù)據(jù)的互斥和保護(hù)機(jī)制；
• 盡管引進(jìn)了多線程處理業(yè)務(wù)邏輯，但是事件的監(jiān)聽和響應(yīng)還是需要 Reactor 來處理，因此，瞬間高并發(fā)可能會造成 Reactor 的性能瓶頸；

⑤ 案例

Netty4 通過參數(shù)配置，可以使用單 Reactor 多線程模型；

(3) 多Reactor多線程模型

單 Reactor 多線程模型的性能瓶頸在于單個 Reactor 的處理能力，于是我們很自然的想到：能不能增加多個 Reactor來提升性能？于是，多 Reactor 多線程模型就應(yīng)孕而生。

① 模型抽象圖

② 工作原理

• 父線程中 mainReactor 對象通過 select 監(jiān)控連接建立事件，收到事件后通過 Acceptor 接收，將新的連接分配給某個子線程；
• 子線程的 subReactor 把 mainReactor 分配的連接加入到連接隊列中并進(jìn)行監(jiān)聽，同時創(chuàng)建一個 Handler 用于處理連接的各種事件；
• 當(dāng)有新的事件發(fā)生時，subReactor 會調(diào)用連接對應(yīng)的 Handler（步驟2創(chuàng)建的 Handler）來進(jìn)行響應(yīng)；
• Handler 通過：read-> 業(yè)務(wù)處理 ->send 流程完成完整業(yè)務(wù)流程；

③ 優(yōu)點

• 父線程和子線程的職責(zé)明確，父線程只負(fù)責(zé)接收新連接，子線程負(fù)責(zé)完成后續(xù)的業(yè)務(wù)處理；
• 父線程和子線程的交互簡單，父線程只需要把新連接傳給子線程，子線程無須返回數(shù)據(jù)；

④ 案例

• Nginx 采用的是多 Reactor 多進(jìn)程模型，但方案與標(biāo)準(zhǔn)的多 Reactor 多進(jìn)程有差異；
• 開源軟件 Memcache 采用的是多 Reactor 多線程模型；
• Netty4 通過參數(shù)參數(shù)配置可以使用多 Reactor 多線程模型；

到此， Reactor模型就分析完了，需要說明的是：上文講述的 Reactor 3種線程模型，同樣可以以進(jìn)程的方式部署，可能在邏輯處理上和線程有些差異。接下來再分析和 Reactor模型很類似的 Proactor 模型。

三、Proactor模型

1.定義

Proactor，中文翻譯為”前攝器”，乍一看，這個翻譯還是挺懵圈的，個人覺得”主動器”更符合 Proactor 模型的本意。Proactor 可以理解為“當(dāng)有連接、讀寫等IO事件時，操作系統(tǒng)內(nèi)核在處理完事件后主動通知我們的程序代碼”。

2.模型抽象圖

3.工作原理

• Proactor Initiator 負(fù)責(zé)創(chuàng)建 Proactor 和 Handler，并將 Proactor 和 Handler 都通過 Asynchronous Operation Processor 注冊到內(nèi)核；
• Asynchronous Operation Processor 負(fù)責(zé)處理注冊請求，并完成 I/O 操作；
• Asynchronous Operation Processor 完成 I/O 操作后通知 Proactor；
• Proactor 根據(jù)不同的事件類型回調(diào)不同的 Handler 進(jìn)行業(yè)務(wù)處理；
• Handler 完成業(yè)務(wù)處理，Handler 也可以注冊新的 Handler 到內(nèi)核進(jìn)程；

4.優(yōu)缺點

• Proactor 在處理高耗時 IO 時的性能要高于 Reactor，但對于低耗時 IO 的執(zhí)行效率提升并不明顯；
• Proactor 的異步性使其并發(fā)處理能力要強于 Reactor；
• Proactor 的實現(xiàn)邏輯復(fù)雜，編碼成本較 Reactor 要高很多；
• Proactor 的異步高度依賴于操作系統(tǒng)對于異步的支持。若操作系統(tǒng)對異步的支持不好，Proactor 的性能還不如 Reactor；

5.案例

Netty5， 它是采用 AIO，其網(wǎng)絡(luò)通信模型就是 Proactor，但該版本已經(jīng)被不再維護(hù)，主要原因是 Linux 目前對于異步的支持不完善，導(dǎo)致 Netty5 花了大代價，性能相對 Netty4 不但沒有提升，甚至還會降低。

四、總結(jié)

(1) Reactor 是同步非阻塞網(wǎng)絡(luò)模型，Proactor 是異步非阻塞網(wǎng)絡(luò)模型；

(2) Reactor 是 I/O 多路復(fù)用和線程池的完美結(jié)合；

(3) Reactor模型看似高深，其實是生活中很多真實案例的寫照，比如：

• 夜市一個老板一輛推車的單人炒粉模式，從點菜，出餐，結(jié)算都是老板一人完成，這個就對應(yīng)了 單 Reactor單線程模型；
• 醫(yī)院叫號看病就對應(yīng)了 單 Reactor多線程模型，一個叫號機(jī)負(fù)責(zé)叫號，多名醫(yī)生負(fù)責(zé)接待病人；
• 大型餐飲就餐對應(yīng)了 多 Reactor多線程模型，一個接待員負(fù)責(zé)接客送客，多名服務(wù)員，每名服務(wù)員負(fù)責(zé)幾桌客人，然后有專門的端菜人員負(fù)責(zé)給客人端菜，比如：海底撈；

(4) Reactor思維在日常開發(fā)中也會經(jīng)常使用，最常用的是單線程處理，當(dāng)并發(fā)量比較大時引進(jìn)線程池，把業(yè)務(wù)細(xì)分，專門的線程處理專門的事情，這樣就和 Reactor 模型的演變有異曲同工之妙；

(5) Proactor 主要是采用異步的方式來處理 IO 事件（比如：叫外賣，下單支付后不需要關(guān)注，直接處理自己的事情，等外賣好了之后，外賣小哥會把主動把外賣送到你手上），不過目前 Linux 對 AIO支持的不太友好，使用該模型的 Netty5 最終也為此夭折了；