设计模式之----- 反应器(Reactor)模式

前端之家收集整理的这篇文章主要介绍了设计模式之----- 反应器(Reactor)模式前端之家小编觉得挺不错的,现在分享给大家,也给大家做个参考。


概述

JavaNIO非堵塞技术实际是采取反应器模式,或者说是观察者(observer)模式为我们监察I/O端口,如果有内容进来,会自动通知我们,这样,我们就不必开启多个线程死等,从外界看,实现了流畅的I/O读写,不堵塞了。

同步和异步区别:有无通知(是否轮询)
堵塞和非堵塞区别:操作结果是否等待(是否马上有返回值),只是设计方式的不同

NIO 有一个主要的类Selector,这个类似一个观察者,只要我们把需要探知的socketchannel告诉Selector,我们接着做别的事情,当有事件发生时,他会通知我们,传回一组SelectionKey,我们读取这些Key,就会获得我们刚刚注册过的socketchannel,然后,我们从这个Channel中读取数据,接着我们可以处理这些数据。

反应器模式与观察者模式在某些方面极为相似:当一个主体发生改变时,所有依属体都得到通知。不过,观察者模式与单个事件源关联,而反应器模式则与多个事件源关联 。

一般模型

我们想象以下情形:长途客车在路途上,有人上车有人下车,但是乘客总是希望能够在客车上得到休息。

传统的做法是:每隔一段时间(或每一个站),司机或售票员对每一个乘客询问是否下车。

反应器模式做法是:汽车是乘客访问的主体(Reactor),乘客上车后,到售票员(acceptor)处登记,之后乘客便可以休息睡觉去了,当到达乘客所要到达的目的地后,售票员将其唤醒即可。


  • /**
  • *反应器模式
  • *用于解决用户访问并发问题
  • *
  • *举个例子:餐厅服务问题
  • *
  • *传统线程池做法:来一个客人(请求)去一个服务员(线程)
  • *反应器模式做法:当客人点菜的时候,服务员就可以去招呼其他客人了,等客人点好了菜,直接招呼一声“服务员”
  • *
  • 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。
  • 实际的餐馆都是用的Reactor模式在服务。一些设计的模型其实都是从生活中来的。

    Reactor模式结构

    Reactor包含如下角色:

    • Handle 句柄;用来标识socket连接或是打开文件
    • Synchronous Event Demultiplexer:同步事件多路分解器:由操作系统内核实现的一个函数;用于阻塞等待发生在句柄集合上的一个或多个事件;(如select/epoll;)
    • Event Handler:事件处理接口
    • Concrete Event HandlerA:实现应用程序所提供的特定事件处理逻辑;
    • Reactor:反应器,定义一个接口,实现以下功能
      1)供应用程序注册删除关注的事件句柄;
      2)运行事件循环;
      3)有就绪事件到来时,分发事件到之前注册的回调函数上处理;

    “反应”器名字中”反应“的由来:
    “反应”即“倒置”,“控制逆转”,具体事件处理程序不调用反应器,而是由反应器分配一个具体事件处理程序,具体事件处理程序对某个指定的事件发生做出反应;这种控制逆转又称为“好莱坞法则”(不要调用我,让我来调用你)

    业务流程及时序图

    1. 应用启动,将关注的事件handle注册到Reactor中;
    2. 调用Reactor,进入无限事件循环,等待注册的事件到来;
    3. 事件到来,select返回,Reactor将事件分发到之前注册的回调函数中处理;

    @H_404_142@ 标准的经典的 Reactor模式:

    • 步骤 1) 等待事件 (Reactor 的工作)

    • 步骤 2) 发”已经可读”事件发给事先注册的事件处理者或者回调 ( Reactor 要做的)

    • 步骤 3) 读数据 (用户代码要做的)

    • 步骤 4) 处理数据 (用户代码要做的)






    对象行为类的设计模式,对同步事件分拣和派发。别名Dispatcher(分发器)

    Reactor模式是处理并发I/O比较常见的一种模式,用于同步I/O,中心思想是将所有要处理的I/O事件注册到一个中心I/O多路复用器上,同时主线程阻塞在多路复用器上;一旦有I/O事件到来或是准备就绪(区别在于多路复用器是边沿触发还是水平触发),多路复用器返回并将相应I/O事件分发到对应的处理器中。

    Reactor的事件处理机制

    普通函数调用的机制:程序调用函数->函数执行,程序等待->函数将结果和控制权返回给程序->程序继续处理。而所谓事件驱动,简单地说就是你点什么按钮(即产生什么事件),电脑执行什么操作(即调用什么函数)。

    事件驱动模型

    Reactor释义“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”。使用Libevent也是向Libevent框架注册相应的事件和回调函数;当这些时间发声时,Libevent会调用这些回调函数处理相应的事件(I/O读写、定时和信号)。

    Reactor模式与Observer模式在某些方面极为相似:当一个主体发生改变时,所有依属体都得到通知。不过,观察者模式与单个事件源关联,而反应器模式则与多个事件源关联 。

    Reactor模式的优点

    Reactor模式是编写高性能网络服务器的必备技术之一,它具有如下的优点:

    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,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,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模式框架

    使用Reactor模型,必备的几个组件事件源、Reactor框架、多路复用机制和事件处理程序

    Reactor模型的整体框架

    Reactor模型UML

    Handle事件源

    Handle代表操作系统管理的资源,包括:网络链接,打开的文件,计时器,同步对象等等。Linux上是文件描述符,Windows上就是Socket或者Handle了,这里统一称为“句柄集”;程序在指定的句柄上注册关心的事件,比如I/O事件。

    event demultiplexer——事件多路分发机制

    由操作系统提供的I/O多路复用机制,比如select和epoll。程序首先将其关心的句柄(事件源)及其事件注册到event demultiplexer上;

    当有事件到达时,event demultiplexer会发出通知“在已经注册的句柄集中,一个或多个句柄的事件已经就绪”;程序收到通知后,就可以在非阻塞的情况下对事件进行处理了。对应到libevent中,依然是select、poll、epoll等,但是libevent使用结构体eventop进行了封装,以统一的接口来支持这些I/O多路复用机制,达到了对外隐藏底层系统机制的目的。

    事件分离器,由操作系统提供,在linux上一般是select,poll,epoll等系统调用,在一个Handle集合上等待事件的发生。接受client连接,建立对应client的事件处理器(Event Handler),并向事件分发器(Reactor)注册此事件处理器.

    Reactor——反应器

    Reactor,是事件管理的接口,内部使用event demultiplexer注册、注销事件;并运行事件循环,当有事件进入“就绪”状态时,调用注册事件的回调函数处理事件。

    提供接口:注册删除和派发Event Handler。Event Demultiplexer等待事件的发生,当检测到新的事件,就把事件交给Initiation Dispatcher,它去回调Event Handler。

    对应到libevent中,就是event_base结构体。一个典型的Reactor声明方式

    class Reactor 
    { 
    public: 
    int register_handler(Event_Handler *pHandler,int event); 
    int remove_handler(Event_Handler *pHandler,int event); 
    void handle_events(timeval *ptv); 
    // ... 
    }; 
    Event Handler——事件处理程序

    事件处理程序提供了一组接口,每个接口对应了一种类型的事件,供Reactor在相应的事件发生时调用,执行相应的事件处理。通常它会绑定一个有效的句柄。

    事件处理器,负责处理特定事件的处理函数。一般在基本的Handler基础上还会有更进一步的层次划分,用来抽象诸如decode,process和encoder这些过程。比如对Web Server而言,decode通常是HTTP请求的解析,process的过程会进一步涉及到Listner和Servlet的调用。为了简化设计,Event Handler通常被设计成状态机,按GoF的state pattern来实现。对应到libevent中,就是event结构体。下面是两种典型的Event Handler类声明方式,二者互有优缺点。

    class Event_Handler 
    { 
    public: 
    virtual void handle_read() = 0; 
    virtual void handle_write() = 0; 
    virtual void handle_timeout() = 0; 
    virtual void handle_close() = 0; 
    virtual HANDLE get_handle() = 0; 
    // ... 
    }; 
    class Event_Handler 
    { 
    public: 
    // events maybe read/write/timeout/close .etc 
    virtual void handle_events(int events) = 0; 
    virtual HANDLE get_handle() = 0; 
    // ... 
    }; 
    Concrete Event Handler

    继承上面的类,实现钩子方法。应用把Concrete Event Handler注册到Reactor,等待被处理的事件。当事件发生,这些方法被回调。



    最后来两张图做个总结:

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