Reactor 模式

2021-09-13 本文已影响0人 wayyyy

Reactor 模型就是网络服务器端用来处理高并发网络 IO 请求的一种编程模型，总结起来：

三类事件，即连接事件，写事件，读事件
三个角色，即 reactor、acceptor、handler

事件类型与角色

Reactor 模型处理的是客户端和服务器端的交互过程，而这三类事件正好对应了客户端和服务器端交互过程中，不同类请求在服务器端引发的待处理事件：

当一个客户端要和服务器端进行交互时，客户端会向服务器端发送连接请求，以建立连接，这就对应了服务器端的一个连接事件。
一旦连接建立后，客户端会给服务器端发送读请求，以便读取数据。服务器端在处理读请求时，需要向客户端写回数据，这对应了服务器端的写事件。
无论客户端给服务器端发送读或写请求，服务器端都需要从客户端读取请求内容，所以在这里，读或写请求的读取就对应了服务器端的读事件。

这三类事件是由谁来处理的呢？那就是对应三个角色了：

连接事件由 acceptor 来处理，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；
最后，在高并发场景中，连接事件、读写事件会同时发生，所以，我们需要有一个角色专门监听和分配事件，这就是 reactor 角色。当有连接请求时，reactor 将产生的连接事件交由 acceptor 处理；当有读写请求时，reactor 将读写事件交由 handler 处理。

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事件驱动框架

事件驱动框架，就是在实现 Reactor 模型时，需要实现的代码整体控制逻辑。简单来说，事件驱动框架包括了两部分：一是事件初始化；二是事件捕获、分发和处理主循环。

事件初始化是在服务器程序启动时就执行的，它的作用主要是创建需要监听的事件类型，以及该类事件对应的 handler。而一旦服务器完成初始化后，事件初始化也就相应完成了，服务器程序就需要进入到事件捕获、分发和处理的主循环中。

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Redis 对 Reactor 模型的实现

github 有人将redis中的网络模块代码移植出来，参见：https://github.com/aisk/libae

Redis 为了实现事件驱动框架，同样的定义了：
事件的数据结构
框架主循环函数
事件捕获分发函数
事件注册函数
事件对应的handler 函数

事件的数据结构
Redis 的事件驱动框架定义了两类事件：IO 事件和时间事件，分别对应了客户端发送的网络请求和 Redis 自身的周期性操作

#define AE_NONE 0
#define AE_READABLE 1 
#define AE_WRITABLE 2 
#define AE_BARRIER 4  

typedef struct aeFileEvent {
  int mask; /* one of AE_(READABLE|WRITABLE|BARRIER) */
  aeFileProc *rfileProc;
  aeFileProc *wfileProc;
  void *clientData;
} aeFileEvent;

框架主循环函数

void aeMain(aeEventLoop *eventLoop) {
    eventLoop->stop = 0;
    while (!eventLoop->stop) {
        …
        aeProcessEvents(eventLoop, AE_ALL_EVENTS|AE_CALL_AFTER_SLEEP);
    }
}

事件捕获与分发


int aeProcessEvents(aeEventLoop *eventLoop, int flags)
{
    int processed = 0, numevents;

    /* 若没有事件处理，则立刻返回 */
    if (!(flags & AE_TIME_EVENTS) && !(flags & AE_FILE_EVENTS)) 
        return 0;

    /* 如果有IO事件发生，或者紧急的时间事件发生，则开始处理*/
    if (eventLoop->maxfd != -1 || ((flags & AE_TIME_EVENTS) && !(flags & AE_DONT_WAIT))) {
     …
    }

    /* 检查是否有时间事件，若有，则调用processTimeEvents函数处理 */
    if (flags & AE_TIME_EVENTS)
        processed += processTimeEvents(eventLoop);
    /* 返回已经处理的文件或时间*/
    return processed; 
}

主要来看看第二种情况，首先，当该情况发生时，Redis 需要捕获发生的网络事件，并进行相应的处理。在这种情况下，aeApiPoll 函数会被调用，用来捕获事件，如下所示：

 int aeProcessEvents(aeEventLoop *eventLoop, int flags){
     ...
     if (eventLoop->maxfd != -1 || ((flags & AE_TIME_EVENTS) && !(flags & AE_DONT_WAIT))) {
         ...
         // 调用aeApiPoll函数捕获事件
         numevents = aeApiPoll(eventLoop, tvp);
         ...
      }
      ...
}

Redis 依赖于操作系统底层提供的 IO 多路复用机制，来实现事件捕获，检查是否有新的连接、读写事件发生。为了适配不同的操作系统，Redis 对不同操作系统实现的网络 IO 多路复用函数，都进行了统一的封装，封装后的代码分别通过以下四个文件中实现：

ae_epoll.c，对应 Linux 上的 IO 复用函数 epoll
ae_evport.c，对应 Solaris 上的 IO 复用函数 evport
ae_kqueue.c，对应 macOS 或 FreeBSD 上的 IO 复用函数 kqueue
ae_select.c，对应 Linux（或 Windows）的 IO 复用函数 select

这里以epoll 为例，在 aeApiPoll 函数中直接调用了 epoll_wait 函数，并将 epoll 返回的事件信息保存起来的逻辑

static int aeApiPoll(aeEventLoop *eventLoop, struct timeval *tvp) {
    …
    // 调用epoll_wait获取监听到的事件
    retval = epoll_wait(state->epfd,state->events,eventLoop->setsize,
          tvp ? (tvp->tv_sec*1000 + tvp->tv_usec/1000) : -1);
    if (retval > 0) {
        int j;
        // 获得监听到的事件数量
        numevents = retval;
        // 针对每一个事件，进行处理
        for (j = 0; j < numevents; j++) {
           // 保存事件信息
        }
    }
    return numevents;
}

事件注册

int aeCreateFileEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask,
                      aeFileProc *proc, void *clientData)
{
    if (fd >= eventLoop->setsize)
    {
        errno = ERANGE;
        return AE_ERR;
    }
    aeFileEvent *fe = &eventLoop->events[fd];

    if (aeApiAddEvent(eventLoop, fd, mask) == -1)
        return AE_ERR;
    fe->mask |= mask;
    if (mask & AE_READABLE)
        fe->rfileProc = proc;
    if (mask & AE_WRITABLE)
        fe->wfileProc = proc;
    fe->clientData = clientData;
    if (fd > eventLoop->maxfd)
        eventLoop->maxfd = fd;

    return AE_OK;
}

事件处理函数

参考资料

1、《高性能Linux服务器编程》
2、https://github.com/aisk/libae

Reactor 模式

事件类型与角色

事件驱动框架

Redis 对 Reactor 模型的实现

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