【Linux】高性能网络模式：Reactor 反应堆模式

Zfox_2025-03-30 10:10

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🔥 系列专栏：Linux

目录

  • [一 ：🔥 Reactor 模式](#一 ：🔥 Reactor 模式)
    • [🦋 Reactor 模式的核心思想](#🦋 Reactor 模式的核心思想)
    • [🦋 Reactor 模式的组成](#🦋 Reactor 模式的组成)
  • [二 ：🔥案例使用 -- 基于`Reactor`的计算器](#二 ：🔥案例使用 -- 基于Reactor的计算器)
    • [🦋 封装 epoll](#🦋 封装 epoll)
    • [🦋 封装 Connection](#🦋 封装 Connection)
    • [🦋 封装 Reactor](#🦋 封装 Reactor)
    • [🦋 封装 Listener（专门负责获取连接的模块）](#🦋 封装 Listener（专门负责获取连接的模块）)
    • [🦋 封装 IOService（只负责IO的）](#🦋 封装 IOService（只负责IO的）)
    • [🦋 Main.cc](#🦋 Main.cc)
  • [三 ：🔥 复盘分析](#三 ：🔥 复盘分析)
    • [🦋 多路转接对写的处理](#🦋 多路转接对写的处理)
    • [🦋 最佳实践 `One Thread One loop`](#🦋 最佳实践 One Thread One loop)
  • [四 ：🔥 共勉](#四 ：🔥 共勉)

一 ：🔥 Reactor 模式

🐳 Reactor 模式 \colorbox{cyan}{ 🐳 Reactor 模式 } 🐳 Reactor 模式 是一种事件处理设计模式，用于处理多个并发输入事件。它通过事件驱动的方式，将事件分发给相应的处理程序，从而实现对并发事件的高效处理。Reactor 模式广泛应用于网络编程、服务器框架等领域，例如 Java 的 NIO、Netty 框架，以及 C++ 的 Boost.Asio 等。

🦋 Reactor 模式的核心思想

Reactor 模式的核心思想是：

  • 事件驱动 ：通过事件循环（ Event Loop ）监听多个事件源（多个文件描述符 ）（如 Socket、文件描述符等），该事件驱动器可以采用 select ，poll ，epoll 等。
  • 事件分发 ：当事件发生时，Reactor 将事件分发给对应的事件处理器（ Event Handler ）。
  • 非阻塞 ：Reactor 模式通常与 非阻塞 I/O 结合使用，避免线程阻塞，所以需要将 Socket、文件描述符等通过 fcntl 函数设置为非阻塞状态。

🦋 Reactor 模式的组成

Reactor 模式通常由以下几个组件组成：

  1. Loop（反应器 / 事件循环）
  • 负责监听事件源（多个文件描述符）（如 Socket、文件描述符等）。
  • 当事件发生时，将事件分发给对应的事件处理器。
  1. Dispatcher（事件多路分发器）
  • 当事件发生时，通知 Event Handler 进行处理。
  1. Event Handler（事件处理器）
  • 定义处理事件的接口。
  • 每个事件源对应一个事件处理器。

二 ：🔥案例使用 -- 基于Reactor的计算器

🦋 封装 epoll

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <sys/epoll.h>
#include "Log.hpp"
#include "Common.hpp"

using namespace LogModule;

namespace EpollMoudle
{
    class Epoller
    {
    public:
        Epoller() : _epfd(-1)
        {}

        void Init()
        {
            _epfd = epoll_create(256);
            if(_epfd < 0)
            {
                LOG(LogLevel::ERROR) << "epoll_create error";
                exit(EPOLL_CREATE_ERR);
            }
            LOG(LogLevel::INFO) << "epoll_create success, epfd: " << _epfd;
        }

        int Wait(struct epoll_event revs[], int num, int timeout) // 输出就绪的fd 和 events
        {
            int n = epoll_wait(_epfd, revs, num, timeout);
            if(n < 0)
            {
                LOG(LogLevel::WARNING) << "epoll_wait error";
            }
            return n;
        }

        void Ctrl(int sockfd, uint32_t events, int flag)
        {
            struct epoll_event ev;
            ev.events = events;
            ev.data.fd = sockfd;
            int n = epoll_ctl(_epfd, flag, sockfd, &ev);
            if (n < 0)
            {
                LOG(LogLevel::WARNING) << "epoll_ctl error";
            }
        }

        void Add(int sockfd, uint32_t events)
        {
            Ctrl(sockfd, events, EPOLL_CTL_ADD);
        }

        void Update(int sockfd, uint32_t events)
        {
            Ctrl(sockfd, events, EPOLL_CTL_MOD);
        }

        void Delete(int sockfd)
        {
            int n = epoll_ctl(_epfd, EPOLL_CTL_DEL, sockfd, nullptr);
            if (n < 0)
            {
                LOG(LogLevel::WARNING) << "epoll_ctl error";
            }
        }

        ~Epoller()
        {}
    private:
        int _epfd;
    };
}

🦋 封装 Connection

所有的连接里都包含回指指针 指向自己的 Reactor 模型 \colorbox{pink}{ 所有的连接里都包含回指指针 指向自己的 Reactor 模型} 所有的连接里都包含回指指针 指向自己的 Reactor 模型

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
#include <functional>
#include "InetAddr.hpp"

class Reactor;      // 循环依赖的问题

// 普通fd，Listensockfd
// 让对 fd 的处理方式采用同一种方式
// 描述一个连接
class Connection
{
public:
    Connection() : _sockfd(-1), _events(0)
    {
        // 自动获得当前系统的时间戳
        
    }

    void UpdateTime()
    {
        // 更新时间， 重新获取时间
    }

    void SetPeerInfo(const InetAddr &peer_addr)
    {
        _peer_addr = peer_addr;
    }

    void SetSockfd(int sockfd) { _sockfd = sockfd; }

    int Sockfd() { return _sockfd; }

    void SetEvents(uint32_t events) { _events = events; }

    uint32_t GetEvents() { return _events; }

    void SetOwner(Reactor *owner)
    {
        _owner = owner;
    }

    Reactor* GetOwner()
    {
        return _owner;
    }

    void Append(const std::string &in)      // 把收到的数据添加到自己的接受缓冲区
    {
        _inbuffer += in;
    }

    void AppendToOut(const std::string &out)
    {
        _outbuffer += out;
    }

    void DiscardOutString(int n)
    {
        _outbuffer.erase(0, n);
    }

    bool isOutBufferEmpty() { return _outbuffer.empty(); }

    std::string &OutString()
    {
        return _outbuffer;
    }

    std::string &InBuffer()  // 故意
    {
        return _inbuffer;
    }

    void Close()
    {
        if(_sockfd >= 0) 
            close(_sockfd);
    }

    // 回调方法
    virtual void Sender() = 0;
    virtual void Recver() = 0;
    virtual void Excepter() = 0;

    ~Connection()
    {
    }

private:
    int _sockfd;
    // 每一个文件描述符都有自己的输入输出缓冲区
    std::string _inbuffer;
    std::string _outbuffer;

    InetAddr _peer_addr; // 对应哪一个客户端

    // 添加一个指针
    Reactor *_owner;

    // 我关心的事件
    uint32_t _events;   // 我这个 connection 关心的事件

    // lastmodtime
    uint64_t _timestamp;
};

🦋 封装 Reactor

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <memory>
#include <unordered_map>
#include "Epoller.hpp"
#include "Connection.hpp"

using namespace EpollMoudle;

using connection_t = std::shared_ptr<Connection>;

class Reactor
{
    const static int event_num = 64;

private:
    bool IsConnectionExists(int sockfd)
    {
        return _connections.find(sockfd) == _connections.end() ? false : true;
    }

public:
    Reactor()
        : _isrunning(false),
          _epoller(std::make_unique<Epoller>())
    {
        _epoller->Init();
    }

    void InsertConnection(connection_t conn)
    {
        auto iter = _connections.find(conn->Sockfd());
        if (iter == _connections.end())
        {
            //  1. 把连接，放到unordered_map中进行管理
            _connections.insert(std::make_pair(conn->Sockfd(), conn));
            // 2. 把新插入进来的连接，写透到内核的epoll中
            _epoller->Add(conn->Sockfd(), conn->GetEvents());
            // 3. 设置关联关系，让connection回指当前对象
            conn->SetOwner(this);
        }
    }

    void EnableReadWrite(int sockfd, bool readable, bool writeable)
    {
        if(IsConnectionExists(sockfd))
        {
            // 修改用户层connection的事件
            uint32_t events = ((readable ? EPOLLIN : 0) | (writeable ? EPOLLOUT : 0) | EPOLLET);
            _connections[sockfd]->SetEvents(events);
            // 写透到内核中
            _epoller->Update(sockfd, _connections[sockfd]->GetEvents());
        }
    }

    void DelConnection(int sockfd)
    {
        if(IsConnectionExists(sockfd))
        {
            // 1. 从内核中移除对sockfd的关心
            _epoller->Delete(sockfd);
            // 2. 关闭特定的文件描述符
            _connections[sockfd]->Close();
            // 3. 从_connectionns中移除对应的connection
            _connections.erase(sockfd);
        }
    }

    // 基于事件驱动的事件派发器
    void Dispatcher(int n)
    {
        for (int i = 0; i < n; i++)
        {
            // 开始进行派发,  派发给指定的模块
            int sockfd = _revs[i].data.fd;
            uint32_t revents = _revs[i].events; 
            if ((revents & EPOLLERR) || (revents & EPOLLHUP))
                revents = (EPOLLIN | EPOLLOUT); // 异常事件，转换成为读写事件
            if ((revents & EPOLLIN) && IsConnectionExists(sockfd))
            {
                _connections[sockfd]->Recver();
            }
            if ((revents & EPOLLOUT) && IsConnectionExists(sockfd))
            {
                _connections[sockfd]->Sender();
            }
        }
    }

    void LoopOnce(int timeout)
    {
        int n = _epoller->Wait(_revs, event_num, timeout);
        Dispatcher(n);
    }

    void DebugPrint()
    {
        std::cout << "Epoller 管理的fd: ";
        for(auto &iter : _connections)
        {
            std::cout << iter.first << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }

    void Loop()
    {
        _isrunning = true;
        // int timeout = -1;
        int timeout = 1000;
        while (_isrunning)
        {
            LoopOnce(timeout);
            DebugPrint();
            // 超时管理
            // 简单的，遍历_connections 判断当前时间 - connection 的最近访问时间 > XXX
            // 超时了
        }

        _isrunning = false;
    }

    void Stop()
    {
        _isrunning = false;
    }

    ~Reactor()
    {
    }

private:
    std::unique_ptr<Epoller> _epoller;
    std::unordered_map<int, connection_t> _connections; // fd: Connection 服务器内部所有的连接
    bool _isrunning;
    struct epoll_event _revs[event_num];
};

🦋 封装 Listener（专门负责获取连接的模块）

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <memory>
#include "Socket.hpp"
#include "InetAddr.hpp"
#include "Connection.hpp"
#include "Epoller.hpp"
#include "Log.hpp"
#include "IOService.hpp"
#include "Reactor.hpp"
#include "Protocol.hpp"
#include "Calculator.hpp"

using namespace SocketModule;
using namespace LogModule;

// 专门负责获取连接的模块
// 连接管理器
class Listener : public Connection
{
public:
    Listener(uint16_t port) 
        : _listensock(std::make_unique<TcpSocket>()),
        _port(port)
    {
        _listensock->BuildTcpSocketMethod(_port);
        SetSockfd(_listensock->Fd());
        SetEvents(EPOLLIN | EPOLLET);
    }

    virtual void Sender() override 
    {

    }

    // 我们回调到这里 天然就有父类connection
    virtual void Recver() override
    {
        // 读就绪，而且是listensock就绪
        // IO处理 --- 获取新连接
        // 你怎么知道 一次来的就是一个连接呢 怎么保证一次读完了 ET工作模式 !
        while(true)
        {
            InetAddr peer;
            int aerrno = 0;
            // accept 非阻塞的时候，就是IO，我们就像处理read一样，处理accept
            int sockfd = _listensock->Accepter(&peer, &aerrno);
            if(sockfd > 0)
            {
                // success
                // 不能直接读取 !
                // sockfd 添加到epoll !
                // epollserver只认connection
                LOG(LogLevel::DEBUG) << "Accepter success: " << sockfd;
                // 普通的文件描述符, 处理IO的 也是connection
                // 2. sockfd包装成为 Connection !
                auto conn = std::make_shared<IOService>(sockfd);
                conn->RegisterOnMessage(HandlerRequest);  
                // 3. 插入到EpollServer
                GetOwner()->InsertConnection(conn);
            }
            else 
            {
                if(aerrno == EAGAIN || aerrno == EWOULDBLOCK)
                {
                    LOG(LogLevel::DEBUG) << "accepter all connection ... done";
                    break;
                }
                else if(aerrno == EINTR)
                {
                    LOG(LogLevel::DEBUG) << "accepter intr by signal, continue";
                    continue;
                }
                else 
                {
                    LOG(LogLevel::DEBUG) << "accepter error ... Ignore";
                    break;
                }
            }
        }
    }

    virtual void Excepter() override
    {

    }

    int Sockfd() { return _listensock->Fd(); }

    ~Listener()
    {
        _listensock->Close();
    }
private:
    std::unique_ptr<Socket> _listensock;
    uint16_t _port;
};

🦋 封装 IOService（只负责IO的）

cpp 复制代码 
#pragma once


#include <iostream>
#include <memory>
#include <functional>
#include "Socket.hpp"
#include "InetAddr.hpp"
#include "Connection.hpp"
#include "Epoller.hpp"
#include "Log.hpp"
#include "Reactor.hpp"

using func_t = std::function<std::string(std::string &)>;

using namespace SocketModule;
using namespace LogModule;

// 只负责IO
class IOService : public Connection
{
    static const int size = 1024;
public:
    IOService(int sockfd)
    {
        // 1. 设置文件描述符非阻塞
        SetNonBlock(sockfd);
        SetSockfd(sockfd);
        SetEvents(EPOLLIN | EPOLLET);
    }

    virtual void Sender() override 
    {
        // UpdateTime();
        // 直接写 
        while(true)
        {
            ssize_t n = send(Sockfd(), OutString().c_str(), OutString().size(), 0);
            if(n > 0)
            {
                // 成功
                DiscardOutString(n);    // 移除 N个
            }
            else if(n == 0)
            {
                break;
            }
            else 
            {
                if(errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)
                {
                    // 缓冲区写满了，下次再来
                    break;
                }
                else if(errno == EINTR)
                {
                    continue;
                }
                else 
                {
                    Excepter();
                    return ;
                }
            }
        }

        // 一种：outbuffer empty
        // 一种：发送缓冲区写满了 && outbuffer没有empty  写条件不满足 使能 sockfd 在 epoll 中的事件
        if(!isOutBufferEmpty()) 
        {
            // 修改对sockfd 的读事件关心! -- 开启对写事件关心
            // 按需设置! 
            GetOwner()->EnableReadWrite(Sockfd(), true, true);  // 读事件一般常设 写事件一般按需设置
        }
        else 
        {
            GetOwner()->EnableReadWrite(Sockfd(), true, false);  // 按需设置 关闭了 !!!
        }
    }

    virtual void Recver() override
    {
        // UpdateTime();
        // 1. 读取所有数据
        while(true) // ET模式
        {
            char buffer[size];
            ssize_t s = recv(Sockfd(), buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);  // 非阻塞
            if(s > 0)
            {
                buffer[s] = 0;
                // 读取成功
                Append(buffer);
            }
            else if(s == 0)
            {
                // 对端关闭连接
                Excepter();
                return ;
            }
            else 
            {
                if(errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)
                {
                    break;
                }
                else if(errno == EINTR)
                {
                    continue;
                }
                else 
                {
                    // 发生错误了
                    Excepter();
                    return ;
                }
            }
        }

        // 走到下面，我一定把本轮数据读完了
        std::cout << "outbuffer: \n" << InBuffer() << std::endl;
        // 你能确保你读到的消息，就是一个完整的报文吗
        // 我怎么知道 读到了完整的请求呢?? 协议 ! ! !
        std::string result;
        if(_on_message)
            result = _on_message(InBuffer());

        // 添加应答信息
        AppendToOut(result);

        // 如何处理写的问题 outbuffer 发送给对方的问题
        if(!isOutBufferEmpty()) 
        {
            // 方案一： Sender();   // 直接发送，推荐做法
            // Sender();
            // 方案二： 使能writeable即可
            GetOwner()->EnableReadWrite(Sockfd(), true, true);
        }
    }

    virtual void Excepter() override
    {
        // IO读取的时候，所有的异常处理，全部都会转化成为这一个函数的调用
        // 出异常 怎么做?
        // 打印日志 差错处理 关闭连接, Reactor异常connection，从内核中，移除对fd的关心
        LOG(LogLevel::INFO) << "客户端连接可能结束，进行异常处理: " << Sockfd();
        GetOwner()->DelConnection(Sockfd());
    }

    void RegisterOnMessage(func_t on_message)
    {
        _on_message = on_message;
    }

    ~IOService()
    {}

private:
    func_t _on_message;
};

🦋 Main.cc

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <string>
#include "Log.hpp"
#include "Listener.hpp"
#include "Connection.hpp"
#include "Reactor.hpp"

using namespace LogModule;

int main(int argc, char *argv[])
{
    ENABLE_CONSOLE_LOG();

    if (argc != 2)
    {
        std::cout << "Usage: " << argv[0] << " port" << std::endl;
        return 0;
    }

    uint16_t local_port = std::stoi(argv[1]);
    Reactor reactor;
    auto conn = std::make_shared<Listener>(local_port);

    reactor.InsertConnection(conn);
    reactor.Loop();

    return 0;
}

三 ：🔥 复盘分析

🦋 多路转接对写的处理

  1. 写事件是否就绪：发送缓冲器，是否有空间 !

有空间。sockfd，发送缓冲区中的空间，默认就是有的!!!，只有当他被填写满了，写条件才不具备

  1. 如何正确处理写入：直接写(不会被阻塞)，写缓冲区可能会越来越短，写满了，写条件不具备，才托管给 epoll ，让它帮我关心 !!!
  • 直接写！写入默认就是就绪的 !
  • 写入失败，才托管给 epoll ！
  • 多路转接的方案设计的时候，写事件关心，永远不能常开启。
  • 写事件关心 ， 按需设置 !
  • 读事件一般常设，写事件一般按需设置 !
  • 只要使能开启写，内核+epoll 会自动事件派发处理底层的发送任务。
  • 从此往后，我们专注于业务即可 !

🦋 最佳实践 One Thread One loop

🦈 一个 fd (Connection) 的全生命周期，只能由一个线程统一管理，这样就不会存在任何(过多)并发问题

🧊 一个 loop 就是 一个 Reactor

四 ：🔥 共勉

😋 以上就是我对 【Linux】高性能网络模式：Reactor 反应堆模式 的理解, 觉得这篇博客对你有帮助的，可以点赞收藏关注支持一波~ 😉

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