从生活实例,理解 Reactor 和 Proactor 网络通信模型!

发布于:2024-05-12 ⋅ 阅读:(156) ⋅ 点赞:(0)

Hello,大家好,我是猿java。

其实,科技领域的很多思维都是来自于现实生活,比如今天要分享的高性能网络通信模型 Reactor 和 Proactor。

为什么要学习 Reactor 和 Proactor?

万丈高楼平地起,要想在技术上有所成就,就一定要修练好内功。随着互联网的快速发展,技术更迭的速度也是超乎想象,也许花大力气掌握的技能几年就过时了(比如 JSP,sturts/sturts2)。但是,有一些东西却是历久弥新,比如:架构思想,设计思维,掌握了这些精髓,可以帮助你快速适应技术更迭。

Reactor 和 Proactor 是网络IO处理中两个经典的高性能模型,学习它们可以在网络IO处理上有个不一样的认知。两个模型可以抽象为下图:

image.png

Reactor模型

定义

Reactor,中文翻译为”反应器”,它是一个被动过程,可以理解为”当接收到客户端事件后,Reactor 会根据事件类型来调用相应的代码进行处理”。Reactor模型也叫Dispatcher模式,底层是 I/O 多路复用结合线程池,主要是用于服务器端处理高并发网络IO请求。Reactor模型的核心思想可以总结成 2个”3种”:

  • 3种事件:连接事件、读事件、写事件;
  • 3种角色:reactor、acceptor、handler;

事件

  • 客户端向服务器端发送连接请求,该请求对应了服务器的一个连接事件
  • 连接建立后,客户端给服务器端发送写请求,服务器端收到请求,需要从请求中读取内容,这就对应了服务器的读事件
  • 服务器经过处理后,把结果值返回给客户端,这就对应了服务器的写事件

事件的描述可以参考下图:

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角色

上述描述了 Reactor 的事件,每个事件都需要有一个专门的负责人,在 Reactor 模型中,这个负责人就是角色,其说明如下:

  • 连接事件由 acceptor 来处理,只负责接收连接;acceptor 在接收连接后,会创建 handler,用于网络连接上对后续读写事件的处理;
  • 读写事件由 handler 处理,处理完后响应客户端;
  • 在连接事件、读写事件会同时发生的高并发场景中,需要reactor 角色专门监听和分配事件:连接事件交由 acceptor 处理;读写请求交由 handler 处理;

事件和角色的对应可以参考下文的 Reactor 线程模型。

线程模型

Reactor线程模型有单 Reactor单线程模型、单 Reactor多线程模型、多 Reactor 多线程模型 三种。

单Reactor单线程模型

单 Reactor单线程模型,很容易理解:接受请求、业务处理、响应请求都在一个线程中处理。

模型抽象

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工作原理

  1. Reactor 通过 select函数监听事件,收到事件后通过 dispatch 分发给 Acceptor 或 Handler;
  2. 如果监听到 client 的连接事件,则分发给 Acceptor 处理,Acceptor 通过 accept 接受连接,并创建一个 Handler 来处理连接后续的各种事件;
  3. 如果不是连接建立事件,则 Reactor 会调用连接对应的 Handler(第 2 步中创建的 Handler)来进行响应;
  4. Handler 通过: read-> 业务处理 ->send 流程完成完整业务流程;

优缺点

优点是简单,不存在线程竞争,缺点是无法充分利用和发挥多核 CPU 的性能,当业务耗时很长时,容易造成阻塞。

案例

  • Redis6.0以下的版本使用的是 单 Reactor 单线程模型,因为 Redis使用的是内存,CPU不是性能瓶颈,所以单 Reactor 单线程模型可以支持 Redis 单机服务的高性能;
  • Netty4 通过参数配置,可以使用单 Reactor 单线程模型;

单Reactor多线程模型

鉴于单 Reactor 单线程模式无法充分利用和发挥多核 CPU 的性能,于是就诞生了单 Reactor 多线程模型。

模型抽象图

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工作原理

  1. 在主线程中,Reactor 对象通过 select 监控事件,收到事件后通过 dispatch 分发给 Acceptor 或 Handler;
  2. 如果监听到 client 的连接事件,则分发给 Acceptor 处理,Acceptor 通过 accept 接受连接,并创建一个 Handler 来处理连接后续的各种事件;
  3. 如果不是连接建立事件,则 Reactor 会调用连接对应的 Handler(步骤2中创建的 Handler)来进行响应。注意,此模型的 Handler 只负责响应事件,不进行业务处理;
  4. Handler 通过 read 读取到数据后,会发给 Processor 进行业务处理;
  5. Processor 会在独立的子线程中完成真正的业务处理,然后将响应结果发给主线程的 Handler 处理;Handler 收到响应后通过 send 将响应结果返回给 client;

优点

采用了线程池来处理业务逻辑,能够充分利用多 CPU 的处理能力

缺点

  1. 多线程数据共享和访问比较复杂。例如,子线程完成业务处理后,要把结果传递给主线程的 Reactor 进行发送,这里涉及共享数据的互斥和保护机制;
  2. 尽管引进了多线程处理业务逻辑,但是事件的监听和响应还是需要 Reactor 来处理,因此,瞬间高并发可能会造成 Reactor 的性能瓶颈;

案例

  • Netty4 通过参数配置,可以使用单 Reactor 多线程模型;

多Reactor多线程模型

单 Reactor 多线程模型的性能瓶颈在于单个 Reactor 的处理能力,于是我们很自然的想到:能不能增加多个 Reactor来提升性能?于是,多 Reactor 多线程模型就运应而生。

模型抽象图

image.png

工作原理

  1. 父线程中 mainReactor 对象通过 select 监控连接建立事件,收到事件后通过 Acceptor 接收,将新的连接分配给某个子线程;
  2. 子线程的 subReactor 把 mainReactor 分配的连接加入到连接队列中并进行监听,同时创建一个 Handler 用于处理连接的各种事件;
  3. 当有新的事件发生时,subReactor 会调用连接对应的 Handler(步骤2中创建的 Handler)来进行响应;
  4. Handler 通过: read-> 业务处理 ->send 流程完成完整业务流程;

优点

  • 父线程和子线程的职责明确,父线程只负责接收新连接,子线程负责完成后续的业务处理;
  • 父线程和子线程的交互简单,父线程只需要把新连接传给子线程,子线程无须返回数据;

案例

  • Nginx 采用的是多 Reactor 多进程模型,但方案与标准的多 Reactor 多进程有差异;
  • 开源软件 Memcache 采用的是多 Reactor 多线程模型;
  • Netty4 通过参数参数配置可以使用多 Reactor 多线程模型;

到此, Reactor模型就分析完了,上文讲述的 Reactor 3种线程模型,同样可以以进程的方式部署,可能在逻辑处理上和线程有些差异。接下来再分析和 Reactor模型很类似的 Proactor 模型。

Proactor模型

Proactor,中文翻译为”前摄器”。乍一看,这个翻译还是挺懵的,个人觉得”主动器”更符合 Proactor模型的本意。Proactor可以理解为当有连接、读写等IO事件时,操作系统内核在处理完事件后主动通知我们的程序代码

模型抽象图

image.png

工作原理

  • Proactor Initiator 负责创建 Proactor 和 Handler,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,并完成 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,Handler 也可以注册新的 Handler 到内核进程;

优缺点

  • Proactor 在处理高耗时 IO 时的性能要高于 Reactor,但对于低耗时 IO 的执行效率提升并不明显;
  • Proactor 的异步性使其并发处理能力要强于 Reactor;
  • Proactor 的实现逻辑复杂,编码成本较 Reactor 要高很多;
  • Proactor 的异步高度依赖于操作系统对于异步的支持。若操作系统对异步的支持不好,Proactor 的性能还不如 Reactor;

案例

  • Netty5, 它是采用 AIO,其网络通信模型就是 Proactor,但该版本已经被不再维护,主要原因是 Linux 目前对于异步的支持不完善,导致 Netty5 花了大代价,性能相对 Netty4 不但没有提升,甚至还会降低。

总结

  • Reactor 是同步非阻塞网络模型,Proactor 是异步非阻塞网络模型;

  • Reactor 是 I/O 多路复用和线程池的完美结合;

  • Reactor模型看似高深,其实是生活中很多真实案例的写照,比如:

    1. 夜市一个老板一辆推车的单人炒粉模式,从点菜,出餐,结算都是老板一人完成,这个就对应了 单 Reactor单线程模型;
    2. 医院叫号看病就对应了 单 Reactor多线程模型,一个叫号机负责叫号,多名医生负责接待病人;
    3. 大型餐饮就餐对应了 多 Reactor多线程模型,一个接待员负责接客送客,多名服务员,每名服务员负责几桌客人,然后有专门的端菜人员负责给客人端菜,比如:海底捞;
  • Reactor思维在日常开发中也会经常使用,最常用的是单线程处理,当并发量比较大时引进线程池,把业务细分,专门的线程处理专门的事情,这样就和 Reactor 模型的演变有异曲同工之妙;

  • Proactor 主要是采用异步的方式来处理 IO 事件(比如:叫外卖,下单支付后不需要关注,直接处理自己的事情,等外卖好了之后,外卖小哥会把主动把外卖送到你手上),不过目前 Linux 对 AIO支持的不太友好,使用该模型的 Netty5 最终也为此夭折了;

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