libevent学习之Reactor模式

1.什么是Reactor模式

维基百科上说：“The reactor design pattern is an event handling pattern for handling service requests delivered concurrently by one or more inputs. The service handler then demultiplexes the incoming requests and dispatches them synchronously to associated request handlers.”。从这个描述中，我们知道Reactor模式首先是事件驱动的，有一个或多个并发输入源，有一个Service Handler，有多个Request Handlers；这个Service Handler会同步的将输入的请求（Event）多路复用的分发给相应的Request Handler。

2. Reactor模式结构

Reactor模式的角色构成(Reactor模式一共有5中角色构成)：

Handle（描述符/句柄）

句柄或描述符，在Linux下是文件描述符，在Windows下称为Socket或Handle(句柄)。是由操作系统提供的；该资源用于表示一个个的事件，事件既可以来自于外部，也可以来自于内部；外部事件比如说客户端的连接请求，客户端发送过来的数据等；内部事件比如说操作系统产生的定时事件等。Handle是事件产生的发源地。程序在指定句柄上注册关心事件，比如I/O事件。

Synchronous Event Demultiplexer(同步事件分离器)

它本身是一个系统调用，用于等待事件的发生(事件可能是一个，也可能是多个)。调用方在调用它的时候会被阻塞，一直阻塞到同步事件分离器上有事件产生为止。对于Linux来说，同步事件分离器指的就是常用的I/O多路复用机制，比如说select、poll、epoll等。

Event Handler(事件处理器)

是由一个或多个模板函数组成的接口。这些模板函数描述了和应用程序相关的对某个事件的操作（定义事件处理方法）。对应到libevent中就是event结构体。

Concrete Event Handler(具体事件处理器)

是事件处理器的实现。它本身实现了事件处理器所提供的各种回调方法，从而实现了特定于业务的逻辑。它本质上就是我们所编写的一个个的处理器实现。每个具体的事件处理器总和一个描述符相关。它使用描述符来识别事件、识别应用程序提供的服务。

Initiation Dispatcher(初始分发器) / Reactor管理器

实际上就是Reactor角色。它本身定义了一些规范，这些规范用于控制事件的调度方式，同时又提供了应用进行事件处理器的注册、删除等设施。它本身是整个事件处理器的核心所在，Initiation Dispatcher会通过Synchronous Event Demultiplexer来等待事件的发生。一旦事件发生，Initiation Dispatcher首先会分离出每一个事件，然后调用事件处理器，最后调用相关的回调函数来处理这些事件。对应到libevent中，就是event_base结构体

我们注意到，是Reactor管理器而不是应用程序负责等待事件、分离事件和调度事件。实际上，Reactor管理器并没有被具体的事件处理器调用，而是管理器调度具体的事件处理器，由事件处理器对发生的事件做出处理。应用程序要做的仅仅是实现一个具体的事件处理器，然后把它注册到Reactor管理器中。接下来的工作由管理器来完成。

3. Reactor模式流程

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① 初始化Initiation Dispatcher，然后将若干个Concrete Event Handler注册到Initiation Dispatcher中。当应用向Initiation Dispatcher注册Concrete Event Handler时，会在注册的同时指定感兴趣的事件，即，应用会标识出该事件处理器希望Initiation Dispatcher在某些事件发生时向其发出通知，事件通过Handle来标识，而Concrete Event Handler又持有该Handle。这样，事件 ————> Handle ————> Concrete Event Handler 就关联起来了。
② Initiation Dispatcher 会要求每个事件处理器向其传递内部的Handle。该Handle向操作系统标识了事件处理器。
③ 当所有的Concrete Event Handler都注册完毕后，应用会调用handle_events方法来启动Initiation Dispatcher的事件循环。这时，Initiation Dispatcher会将每个注册的Concrete Event Handler的Handle合并起来，并使用Synchronous Event Demultiplexer(同步事件分离器)同步阻塞的等待事件的发生。比如说，TCP协议层会使用select同步事件分离器操作来等待客户端发送的数据到达连接的socket handler上。
④ 当与某个事件源对应的Handle变为ready状态时(比如说，TCP socket变为等待读状态时)，Synchronous Event Demultiplexer就会通知Initiation Dispatcher。
⑤ Initiation Dispatcher会触发事件处理器的回调方法，从而响应这个处于ready状态的Handle。当事件发生时，Initiation Dispatcher会将被事件源**的Handle作为『key』来寻找并分发恰当的事件处理器回调方法。
⑥ Initiation Dispatcher会回调事件处理器的handle_event(type)回调方法来执行特定于应用的功能(开发者自己所编写的功能)，从而相应这个事件。所发生的事件类型可以作为该方法参数并被该方法内部使用来执行额外的特定于服务的分离与分发。

4. Reactor模式的实现方式

在Reactor An Object Behavioral Pattern for Demultiplexing and Dispatching Handles for Synchronous Events中，一直以Logging Server来分析Reactor模式，这个Logging Server的实现完全遵循这里对Reactor描述，因而放在这里以做参考。Logging Server中的Reactor模式实现分两个部分：Client连接到Logging Server和Client向Logging Server写Log。因而对它的描述分成这两个步骤。
Client连接到Logging Server
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1. Logging Server注册LoggingAcceptor到InitiationDispatcher。
2. Logging Server调用InitiationDispatcher的handle_events()方法启动。
3. InitiationDispatcher内部调用select()方法（Synchronous Event Demultiplexer），阻塞等待Client连接。
4. Client连接到Logging Server。
5. InitiationDisptcher中的select()方法返回，并通知LoggingAcceptor有新的连接到来。
6. LoggingAcceptor调用accept方法accept这个新连接。
7. LoggingAcceptor创建新的LoggingHandler。
8. 新的LoggingHandler注册到InitiationDispatcher中(同时也注册到Synchonous Event Demultiplexer中)，等待Client发起写log请求。
Client向Logging Server写Log
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1. Client发送log到Logging server。
2. InitiationDispatcher监测到相应的Handle中有事件发生，返回阻塞等待，根据返回的Handle找到LoggingHandler，并回调LoggingHandler中的handle_event()方法。
3. LoggingHandler中的handle_event()方法中读取Handle中的log信息。
4. 将接收到的log写入到日志文件、数据库等设备中。
3.4步骤循环直到当前日志处理完成。
5. 返回到InitiationDispatcher等待下一次日志写请求。

1. 单线程Reactor模式

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目前的单线程Reactor模式中，不仅I/O操作在该Reactor线程上，连非I/O的业务操作也在该线程上进行处理了，这可能会大大延迟I/O请求的响应。所以我们应该将非I/O的业务逻辑操作从Reactor线程上卸载，以此来加速Reactor线程对I/O请求的响应。

改进：使用工作者线程池

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与单线程Reactor模式不同的是，添加了一个工作者线程池，并将非I/O操作从Reactor线程中移出转交给工作者线程池来执行。这样能够提高Reactor线程的I/O响应，不至于因为一些耗时的业务逻辑而延迟对后面I/O请求的处理。

使用线程池的优势：
① 通过重用现有的线程而不是创建新线程，可以在处理多个请求时分摊在线程创建和销毁过程产生的巨大开销。
② 另一个额外的好处是，当请求到达时，工作线程通常已经存在，因此不会由于等待创建线程而延迟任务的执行，从而提高了响应性。
③ 通过适当调整线程池的大小，可以创建足够多的线程以便使处理器保持忙碌状态。同时还可以防止过多线程相互竞争资源而使应用程序耗尽内存或失败。

注意，在上图的改进的版本中，所以的I/O操作依旧由一个Reactor来完成，包括I/O的accept()、read()、write()以及connect()操作。

2. 多线程Reactor()模式

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mainReactor可以只有一个，但subReactor一般会有多个。mainReactor线程主要负责接收客户端的连接请求，然后将接收到的SocketChannel传递给subReactor，由subReactor来完成和客户端的通信。

参考：