【操作系统】高性能网络模式：Reactor 和 Proactor

参考资料：

高性能 RPC 通信的实现- 巧用 reactor 模式

高性能网络模式：Reactor 和 Proactor

NIO Reactor模型

Netty「基石」之Reactor模式

高性能IO模型分析-Reactor模式和Proactor模式

【操作系统】IO模型篇之从BIO、NIO、AIO到内核select、epoll剖析

一、Reactor 模式

1.1、传统 BIO 服务

在传统的 BIO服务端采用的是单线程单连接的处理模型, 这种线程模型的弊端很明显, 当有大量的客户端并发时服务端会压力剧增, 同时线程利用率很低。

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。

1.2、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。

我们熟悉的 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 是如何获取网络事件的呢？

在获取事件时，先把我们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基于 I/O 多路复用。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。

1.3、Reactor 模式概述

Reactor设计模式是一种事件处理模式，用于同时有一个或多个请求发送到事件处理器（service handler），这个事件处理器会采用多路分离（demultiplexes ）的方式，同步的将这些请求分发到请求处理器（request handlers）。

相应的, 在传统BIO服务上的Reactor模型的基本形态如下图所示

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。

1.4、Reactor模式思想：分而治之+事件驱动

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：

• 事件驱动：Reactor 负责监听和分发事件，事件类型包含连接事件、读写事件；
• 分而治之：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；

以下 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。

接下来，分别介绍这三个经典的 Reactor 方案。

1.5、单 Reactor 单进程 / 线程

我们来看看「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。

1.6、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。

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，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。

1.7、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。

老规矩，闻其名不如看其图。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。

二、Proactor模式

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。

2.1、Linux的五种IO模型浅析

2.1.1、同步阻塞式IO-BIO

BIO(Blocking-IO)即同步阻塞模型，这也是最初的IO模型，也就是当调用内核的read()函数后，内核在执行数据准备、复制阶段的IO操作时，应用线程都是阻塞的，所以本次IO操作则被称为同步阻塞式IO，如下：

当程序中需要进行IO操作时，会先调用内核提供的read()函数，但在之前分析过IO的工作原理，IO会经过“设备→内核缓冲区→程序缓冲区”这个过程，该过程必然是耗时的，在同步阻塞模型中，程序中的线程发起IO调用后，会一直挂起等待，直至数据成功拷贝至程序缓冲区才会继续往下执行。

2.1.2、同步非阻塞式IO-NIO

NIO(Non-Blocking-IO)同步非阻塞模型，从字面意思上来说就是:调用read()函数的线程并不会阻塞，而是可以正常运行，如下：

当应用程序中发起IO调用后，内核并不阻塞当前线程，而是立马返回一个“数据未就绪”的信息给应用程序，而应用程序这边则一直反复轮询去问内核：数据有没有准备好？直到最终数据准备好了之后，内核返回“数据已就绪”状态，紧接着再由进程去处理数据…

2.1.3、多路复用模型

在多路复用模型中，内核仅有一条线程负责处理所有连接，所有网络请求/连接（Socket）都会利用通道Channel注册到选择器上，然后监听器负责监听所有的连接，过程如下：

当用户去读取数据的时候，不再去直接调用recvfrom了，而是调用select的函数，select函数会将需要监听的数据交给内核，由内核去检查这些数据是否就绪了，如果说这个数据就绪了，就会通知应用程序数据就绪，然后来读取数据，再从内核中把数据拷贝给用户态，完成数据处理，如果N多个FD一个都没处理完，此时就进行等待。

IO多路复用是利用单个线程来同时监听多个FD，并在某个FD可读、可写时得到通知，从而避免无效的等待，充分利用CPU资源。不过监听FD的方式、通知的方式又有多种实现，常见的有：

• select
• poll
• epoll

详见参考：

【操作系统】全面解析IO 多路复用：select、poll、epoll

2.1.4、信号驱动模型

信号驱动IO模型(Signal-Driven-IO)是一种偏异步IO的模型，在该模型中引入了信号驱动的概念，在用户进程中首先会创建一个SIGIO信号处理程序，然后基于信号的模型进行处理。

在该模型中，首先用户进程中会创建一个Sigio信号处理程序，然后会系统调用sigaction信号处理函数，紧接着内核会直接让用户进程中的线程返回，用户进程可在这期间干别的工作，当内核中的数据准备好之后，内核会生成一个Sigio信号，通知对应的用户进程数据已准备就绪，然后由用户进程在触发一个recvfrom的系统调用，从内核中将数据拷贝出来进行处理。

信号驱动模型相较于之前的模型而言，从一定意义上实现了异步，也就是数据的准备阶段是异步非阻塞执行的，但数据的复制阶段却依旧是同步阻塞执行的。

纵观上述的所有IO模型：BIO、NIO、多路复用、信号驱动，本质上从内核缓冲区拷贝数据到程序缓冲区的过程都是阻塞的，如果想要做到真正意义上的异步非阻塞IO，那么就牵扯到了AIO模型。

2.1.5、异步非阻塞式IO-AIO

AIO(Asynchronous-Non-Blocking-IO)异步非阻塞模型，该模型是真正意义上的异步非阻塞式IO，代表数据准备与复制阶段都是异步非阻塞的。

他会由内核将所有数据处理完成后，由内核将数据写入到用户态中，然后才算完成，所以性能极高，不会有任何阻塞，全部都由内核完成，可以看到，异步IO模型中，用户进程在两个阶段都是非阻塞状态。

在AIO模型中，真正意义上的实现了异步非阻塞，从始至终用户进程只需要发起一次系统调用，后续的所有IO操作由内核完成，最后在数据拷贝至程序缓冲区后，通知用户进程处理即可。

2.2、Proactor模式概述

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。

举个实际生活中的例子，Reactor 模式就是快递员在楼下，给你打电话告诉你快递到你家小区了，你需要自己下楼来拿快递。而在 Proactor 模式下，快递员直接将快递送到你家门口，然后通知你。

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。

2.3、Proactor模式工作流程

接下来，一起看看 Proactor 模式的示意图：

介绍一下 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。

三、 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。