深入理解Reactor模型的原理与应用

坚持学习.2023-08-28 13:43

1、什么是Reactor模型

Reactor意思是"反应堆"，是一种事件驱动机制。

和普通函数调用的不同之处在于：应用程序不是主动的调用某个 API 完成处理，而是恰恰相反，Reactor逆置了事件处理流程，应用程序需要提供相应的接口并注册到 Reactor 上，如果相应的时间发生，Reactor将主动调用应用程序注册的接口，这些接口又称为"回调函数"。

对于刚开始接触这个机制，个人感觉翻译成"感应器"可能会更好理解一点，因为注册在Reactor上的函数就像感应器一样，只要有事件到达，就会触发它开始工作。

Reactor 模式是编写高性能网络服务器的必备技术之一。

2、Reactor模型的优点

  • 响应快，不必为单个同步时间所阻塞，虽然 Reactor 本身依然是同步的；
  • 编程相对简单，可以最大程度的避免复杂的多线程及同步问题，并且避免了多线程/进程的切换开销；
  • 可扩展性强，可以方便的通过增加 Reactor 实例个数来充分利用 CPU 资源；
    • 可复用性高，reactor 框架本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性； Reactor 模型开发效率上比起直接使用 IO 复用要高，它通常是单线程的，设计目标是希望单线程使用一颗 CPU 的全部资源。
      优点即每个事件处理中很多时候可以不考虑共享资源的互斥访问。可是缺点也是明显的，现在的硬件发展，已经不再遵循摩尔定律，CPU 的频率受制于材料的限制不再有大的提升，而改为是从核数的增加上提升能力，当程序需要使用多核资源时，Reactor 模型就会悲剧 , 为什么呢？
      如果程序业务很简单，例如只是简单的访问一些提供了并发访问的服务，就可以直接开启多个反应堆，每个反应堆对应一颗 CPU 核心，这些反应堆上跑的请求互不相关，这是完全可以利用多核的。例如 Nginx 这样的 http 静态服务器。

3、通过对网络编程（epoll）代码的优化，深入理解Reactor模型

1、epoll的普通版本，根据fd类型（listen_fd和client_fd）分为两大类处理。

如果是listen_fd，调用accept处理连接请求；

如果是client_fd，调用recv或者send处理数据。

代码实现：

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/epoll.h>

#include <errno.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    if (argc < 2)
        return -1;

    int port = atoi(argv[1]);   //字符串转换为整型
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
        return -1;

    struct sockaddr_in addr;
    memset(&addr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));   //新申请的空间一定要置零

    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(port);    //转换成网络字节序
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(struct sockaddr_in)) < 0)
        return -2;

    if (listen(sockfd, 5) < 0)
        return -3;

    //epoll

    int epfd = epoll_create(1); //创建epoll,相当于红黑树的根节点
    struct epoll_event ev, events[1024] = {0};  //events相当于就绪队列，一次性可以处理的集合
    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = sockfd;

    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);    //将ev节点加入到epoll，此处的sockfd参数随便添加没有意义，需要操作系统索引和它有对应的句柄

    while (1)
    {
        int nready = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1);    //第四个参数-1表示一直等待，有事件才返回
        if (nready < 1) //没有事件触发，nready代表触发事件的个数
            break;

        int i = 0;
        for (i = 0; i < nready; i++)    //epoll_wait带出的就绪fd包括两大类：1、处理连接的listen_fd，2、处理数据的send和recv
        {
            if (events[i].data.fd == sockfd) //如果是listenfd，就将它加入到epoll
            {
                struct sockaddr_in client_addr;
                memset(&client_addr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
                socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
                
                int client_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
                if (client_fd <= 0)
                    continue;

                char str[INET_ADDRSTRLEN] = {0};
                printf("recv from IP = %s ,at Port= %d\n", inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, str, sizeof(str)), ntohs(client_addr.sin_port));

                ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;  //epoll默认是LT模式
                ev.data.fd = client_fd;
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, &ev);
            }
            else    //fd进行读写操作
            {

               //对fd的读写操作没有分开
                int client_fd = events[i].data.fd;

                char buf[1024] = {0};
                int ret = recv(client_fd, buf, 1024, 0);
                if (ret < 0)
                {
                    if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)
                    {
                        //
                    }
                    else
                    {
                        //
                    }

                    printf("ret < 0,断开连接：%d\n", client_fd);

                    close(client_fd);
                    ev.events = EPOLLIN;
                    ev.data.fd = client_fd;
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, client_fd, &ev);
                }
                else if (ret == 0)  //接收到了客户端发来的断开连接请求FIN后，没有及时调用close函数，进入了CLOSE _WAIT状态
                {
                    printf("ret = 0,断开连接：%d\n", client_fd);

                    close(client_fd);
                    ev.events = EPOLLIN;
                    ev.data.fd = client_fd;
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, client_fd, &ev); //close关闭连接后要将它既是从epoll中删除
                }
                else
                {
                    printf("Recv: %s, %d Bytes\n", buf, ret);
                }

                //区分fd的读写操作，即recv和send
                if (events[i].events & EPOLLIN)
                {
                    int client_fd = events[i].data.fd;

                    char buf[1024] = {0};
                    int ret = recv(client_fd, buf, 1024, 0);
                    if (ret < 0)
                    {
                        if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)
                        {
                            //...
                        }
                        else
                        {
                            //...
                        }

                        printf("ret < 0,断开连接：%d\n", client_fd);

                        close(client_fd);
                        ev.events = EPOLLIN;
                        ev.data.fd = client_fd;
                        epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, client_fd, &ev);
                    }
                    else if (ret == 0)  //接收到了客户端发来的断开连接请求FIN后，没有及时调用close函数，进入了CLOSE _WAIT状态
                    {
                        printf("ret = 0,断开连接：%d\n", client_fd);

                        close(client_fd);
                        ev.events = EPOLLIN;
                        ev.data.fd = client_fd;
                        epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, client_fd, &ev); //close关闭连接后要将它既是从epoll中删除
                    }
                    else
                    {
                        printf("Recv: %s, %d Bytes\n", buf, ret);
                    }
                }
                if (events[i].events & EPOLLOUT)    //为什么需要判断EPOLLOUT，而不是直接else？因为一个fd有可能同时存在可读和可写事件的
                {
                    int client_fd = events[i].data.fd;

                    char buf[1024] = {0};
                    send(client_fd, buf, sizeof(buf), 0);
                }

            }
        }
    }

    return 0;
}

2、epoll的优化版本，根据事件类型（读和写）分为两大类处理。

代码实现：

cpp 复制代码 
        for (i = 0; i < nready; i++)    //epoll_wait带出的就绪fd包括两大类：1、处理连接的listen_fd，2、处理数据的send和recv
        {
            //区分fd的读写操作
            if (events[i].events & EPOLLIN)
            {
                if (events[i].data.fd == sockfd) //如果是listenfd，就将它加入到epoll
                {
                    struct sockaddr_in client_addr;
                    memset(&client_addr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
                    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
                    
                    int client_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
                    if (client_fd <= 0)
                        continue;

                    char str[INET_ADDRSTRLEN] = {0};
                    printf("recv from IP = %s ,at Port= %d\n", inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, str, sizeof(str)), ntohs(client_addr.sin_port));

                    ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;  //epoll默认是LT模式
                    ev.data.fd = client_fd;
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, &ev);
                }
                else 
                {
                    int client_fd = events[i].data.fd;

                    char buf[1024] = {0};
                    int ret = recv(client_fd, buf, 1024, 0);
                    if (ret < 0)
                    {
                        if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)
                        {
                            //...
                        }
                        else
                        {
                            //...
                        }

                        printf("ret < 0,断开连接：%d\n", client_fd);

                        close(client_fd);
                        ev.events = EPOLLIN;
                        ev.data.fd = client_fd;
                        epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, client_fd, &ev);
                    }
                    else if (ret == 0)  //接收到了客户端发来的断开连接请求FIN后，没有及时调用close函数，进入了CLOSE _WAIT状态
                    {
                        printf("ret = 0,断开连接：%d\n", client_fd);

                        close(client_fd);
                        ev.events = EPOLLIN;
                        ev.data.fd = client_fd;
                        epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, client_fd, &ev); //close关闭连接后要将它既是从epoll中删除
                    }
                    else
                    {
                        printf("Recv: %s, %d Bytes\n", buf, ret);
                    }
                }
            }
            //为什么需要判断EPOLLOUT，而不是直接else？因为一个fd有可能同时存在可读和可写事件的
            if (events[i].events & EPOLLOUT)    
            {
                int client_fd = events[i].data.fd;

                char buf[1024] = {0};
                send(client_fd, buf, sizeof(buf), 0);
            }

        }

3、epoll的Reactor模式， epoll由以前的对网络io（fd）进行管理，转变成对events事件进行管理。

代码实现：

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/epoll.h>

#include <errno.h>


//每个fd所对应的信息
struct sockitem
{
    int sockfd;
    int (*callback)(int fd, int events, void*arg);
    char sendbuf[1024];
    char recvbuf[1024];
};

//每个epoll所对应的信息
struct epollitem
{
    int epfd;
    struct epoll_event events[1024];    //events相当于就绪队列，一次性可以处理的集合
};

struct epollitem *eventloop = NULL;

int recv_cb(int fd, int events, void*arg);
int send_cb(int fd, int events, void*arg);

int accept_cb(int fd, int events, void*arg)
{
    printf("---accept_cb(int fd, int events, void*arg)---\n");

    struct sockaddr_in client_addr;
    memset(&client_addr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
    
    int client_fd = accept(fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
    if (client_fd <= 0)
        return -1;

    char str[INET_ADDRSTRLEN] = {0};
    printf("recv from IP = %s ,at Port= %d\n", inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, str, sizeof(str)), ntohs(client_addr.sin_port));

    struct epoll_event ev;
    ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;  //epoll默认是LT模式

    struct sockitem *si = (struct sockitem*)malloc(sizeof(struct sockitem));
    si->sockfd = client_fd;
    si->callback = recv_cb;

    ev.data.ptr = si;

    epoll_ctl(eventloop->epfd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, &ev);

    return client_fd;
}

int recv_cb(int fd, int events, void*arg)
{
    printf("---recv_cb(int fd, int events, void*arg)---\n");

    struct epoll_event ev;
    struct sockitem *sit = (struct sockitem*)arg;

    int ret = recv(fd, sit->recvbuf, 1024, 0);
    if (ret < 0)
    {
        if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)
        {
            //...
        }
        else
        {
            //...
        }

        printf("ret < 0,断开连接：%d\n", fd);

        ev.events = EPOLLIN;
        epoll_ctl(eventloop->epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, &ev);    //close关闭连接后要将它既是从epoll中删除


        close(fd);
        free(sit);  //连接关闭后释放内存
    }
    else if (ret == 0)  //接收到了客户端发来的断开连接请求FIN后，没有及时调用close函数，进入了CLOSE _WAIT状态
    {
        printf("ret = 0,断开连接：%d\n", fd);
        
        ev.events = EPOLLIN;
        epoll_ctl(eventloop->epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, &ev); 

        close(fd);
        free(sit);
    }
    else
    {
        printf("Recv from recvbuf:  %s, %d Bytes\n", sit->recvbuf, ret);

        ev.events = EPOLLIN | EPOLLOUT;  //
        sit->sockfd = fd;
        sit->callback = send_cb;
        ev.data.ptr = sit;

        epoll_ctl(eventloop->epfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev);
    }

    return ret;
}

int send_cb(int fd, int events, void*arg)
{
    struct epoll_event ev;
    struct sockitem *sit = (struct sockitem*)arg;

    strncpy(sit->sendbuf, sit->recvbuf, sizeof(sit->recvbuf) + 1);
    send(fd, sit->sendbuf, sizeof(sit->recvbuf) + 1, 0);

    ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;  //
    sit->sockfd = fd;
    sit->callback = recv_cb;
    ev.data.ptr = sit;

    epoll_ctl(eventloop->epfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev);

    return fd;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    if (argc < 2)
        return -1;

    int port = atoi(argv[1]);   //字符串转换为整型
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
        return -1;

    struct sockaddr_in addr;
    memset(&addr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));   //新申请的空间一定要置零

    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(port);    //转换成网络字节序
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(struct sockaddr_in)) < 0)
        return -2;

    if (listen(sockfd, 5) < 0)
        return -3;

    //epoll

    eventloop = (struct epollitem *)malloc(sizeof(struct epollitem));
    eventloop->epfd = epoll_create(1); //创建epoll,相当于红黑树的根节点

    struct epoll_event ev;
    ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;

    struct sockitem *si = (struct sockitem*)malloc(sizeof(struct sockitem));
    si->sockfd = sockfd;
    si->callback = accept_cb;

    ev.data.ptr = si;   //将fd和对应的回调函数绑定一起带进epoll

    epoll_ctl(eventloop->epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);    //将ev节点加入到epoll，此处的sockfd参数随便添加没有意义，需要操作系统索引和它有对应的句柄

    while (1)
    {
        int nready = epoll_wait(eventloop->epfd, eventloop->events, 1024, -1);    //第四个参数-1表示一直等待，有事件才返回
        if (nready < 1) //没有事件触发，nready代表触发事件的个数
            break;

        int i = 0;
        for (i = 0; i < nready; i++)
        {
            //区分fd的读写操作
            if (eventloop->events[i].events & EPOLLIN)
            {
                struct sockitem *sit = (struct sockitem*)eventloop->events[i].data.ptr;
                sit->callback(sit->sockfd, eventloop->events[i].events, sit);    //不用区分listen_fd和recv_fd,相应的fd都会调用他们所对应的callback
                
            }
            //为什么需要判断EPOLLOUT，而不是直接else？因为一个fd有可能同时存在可读和可写事件的
            if (eventloop->events[i].events & EPOLLOUT)    
            {
                struct sockitem *sit = (struct sockitem*)eventloop->events[i].data.ptr;
                sit->callback(sit->sockfd, eventloop->events[i].events, sit);
            }
        }
    }

    return 0;
}

4、Reactor模型的应用

1、单线程模式的Reactor，参考libevent、redis；

2、多线程模式的Reactor，参考memcached；

3、多进程模式的Reactor，参考nginx。

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