I/O模型系列之四:两种高性能IO设计模式 Reactor 和 Proactor
不同的操作系统实现的io策略可能不一样,即使是同一个操作系统也可能存在多重io策略,常见如linux上的select,poll,epoll,面对这么多不同类型的io接口,这里需要一层抽象api来完成,所以就演变出来两种高性能的io的设计模式,分别是Reactor(同步IO)和Proactor(异步IO)。
1. Reactor
在Reactor中,事件分离器负责等待文件描述符或socket为读写操作准备就绪,然后将就绪事件传递给对应的处理器,最后由处理器负责完成实际的读写工作。
Reactor 的标准(典型)的工作方式是:
(1)应用程序注册读就绪事件和相关联的事件处理器
(2)Reactor阻塞等待内核事件通知
(3)Reactor收到通知,然后分发可读写事件(读写准备就绪)到用户事件处理函数
(4)用户读取数据,并处理数据
(5)事件处理器完成实际的读操作,处理读到的数据,注册新的事件,然后返还控制权。
2. Proactor
Proactor 的标准(典型)的工作方式是:
(1)应用程序初始化一个异步读取操作,然后注册相应的事件处理器,此时事件处理器不关注读取就绪事件,而是关注读取完成事件,这是区别于Reactor的关键。
(2)事件分离器等待读取操作完成事件
(3)在事件分离器等待读取操作完成的时候,操作系统调用内核线程完成读取操作,并将读取的内容放入用户传递过来的缓存区中。这也是区别于Reactor的一点,Proactor中,应用程序需要传递缓存区。
(4)事件分离器捕获到读取完成事件后,激活应用程序注册的事件处理器,事件处理器直接从缓存区读取数据,而不需要进行实际的读取操作。
3. 简单的理解(抄过来的)
并发系统常使用reactor模式,代替常用的多线程的处理方式,节省系统的资源,提高系统的吞吐量。
以一个餐饮为例,每一个人来就餐就是一个事件,他会先看一下菜单,然后点餐。就像一个网站会有很多的请求,要求服务器做一些事情。处理这些就餐事件的就需要我们的服务人员了。
(1) 在多线程处理的方式会是这样的:
一个人来就餐,一个服务员去服务,然后客人会看菜单,点菜。 服务员将菜单给后厨。
二个人来就餐,二个服务员去服务……
五个人来就餐,五个服务员去服务…
(2) 在线程池处理的方式会是这样的:(固定的10个人去服务,但仍然供不应求)
(3) Reactor设计模式: 单个线程来做多线程的事
顾客通过呼叫服务员(event事件)通知服务员,菜单写好了,服务员就会把菜单交给厨师(事件处理器),厨师就会去做菜了。
(4) Proactor设计模式: 让别人做完通知自己
4. 两者的区别
区别 | Reactor | Proactor |
定义 |
被动的等待指示事件的到来,并作出反应, 它有一个等待的过程,做什么事都要放入到监听事件集合中等待handler可用时再操作。 |
直接调用异步读写操作,调用完立即返回, 由内核负责写操作,写完后调用相应的回调函数处理后续逻辑。 |
实现 |
实现了一个被动的事件分离和分发模型 服务等待请求事件的到来,再通过不间断地同步处理事件做出反应。 |
实现了一个主动的事件分离和分发模型。 允许多个任务并发的执行,从而提高吞吐量,可执行耗时长的任务。 |
主动与被动 | 被动 | 主动 |
同步与异步 | 同步 | 异步 |
优点 |
1. 简单。实现相对简单,对于耗时短的处理场景处理高效。 2. 单线程。操作系统可在多个事件源上等待。避免了多线程编程相关的性能开销和编程复杂性。 3. 不用锁。事件的串行化对应用时透明的,可以顺序的同步执行而不需加锁。 4. 事务隔离。将与应用无关的 多路分解和分配机制 与应用相关的 回调函数 分离开来 |
性能更高,能够处理耗时长的并发场景。 |
缺点 |
处理耗时长的操作会造成事务分发的阻塞,影响后续事件的处理。 |
1. 复杂。实现逻辑复杂。 2. 依赖OS对异步的支持(很少很难) |
使用场景 |
同时接受多个服务请求,并且依次同步的处理他们的事件驱动程序。 耗时短的。 |
异步接受和同时处理多个服务请求的事件驱动程序 耗时长的。 |
五.总结
基于事件驱动的网络编程的两种设计模式:
Reactor (反应堆 同步IO) java NIO 多路复用IO redis libevent Linux epoll
Proactor(前摄器 异步IO) java AIO 异步IO模型 目前只有 Windows IO completion port.(iocp)模型
- 只有IOCP是asynchronous I/O,其他机制或多或少都会有一点阻塞。
- select低效是因为每次它都需要轮询。但低效也是相对的,视情况而定,也可通过良好的设计改善
- epoll, kqueue、select是Reacor模式,IOCP是Proactor模式。
- java nio包是select模型。
- epoll, kqueue、select 等是IO策略,他们属于设计模式,他们实现设计模式,相对于设计模式,设计策略更细节,设计模式更抽象。
摘录网址:
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