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开启极速之旅：了解Linux网络设计中的Reactor模型与百万级并发实践

2023-07-16 63
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简介： 本文将带您进入Linux网络设计的奇妙世界，着重介绍了Reactor模型和百万级并发的实践经验。在快节奏的现代互联网环境下，高性能的网络应用对于提供卓越的用户体验至关重要。通过深入探索Reactor模型，我们将揭示其在构建高并发应用中的关键作用。从基本概念到实际应用，您将了解到如何通过Reactor模型优化网络通信，实现快速响应和高吞吐量。此外，我们将分享一些实践中的经验和技巧，包括事件驱动编程、多线程与多进程处理、负载均衡等方面，以帮助您更好地应对百万级并发挑战。

一、Reactor网络模型简介

什么是并发：网络并发，通俗的讲就是服务器可以承载的客户端数量，即服务器可以稳定保证客户端同时接入的数量。

Reactor模型开发效率比直接使用IO多路复用要高，它一般是单线程的，设计目标是希望一个线程使用CPU的全部资源；带来的优点是，在每个事件处理中很多时候不需要考虑共享资源的互斥访问。

Reactor模式是处理并发IO比较常见的模式，用于同步IO，核心思想是将所有要处理的IO事件注册到一个中心IO多路复用器上，同时主线程或进程阻塞在IO多路复用器上；一旦有事件到来或准备就绪，多路复用器返回并将事先注册的相应 I/O 事件分发到对应的处理器中。

二、Reactor的优点

1、响应快；不必为单个同步事件阻塞，虽然Reactor本身依然是同步的。
2、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，尽可能的避免多线程、多进程的切换开销。
3、可扩展性；可通过增加Reactor实例个数，充分利用CPU资源。
4、高复用性；Reactor模型本身与事件处理逻辑无关，具有很高的复用性。

三、实现过程

step 1：定义Reactor模型相关结构体

reactor数据结构设计图如下：
image.png

结构说明：以fd作为索引，存放在block中；当一个fd到来时，通过fd/MAX先找到fd对应的block号，再通过fd%MAX找到对应的偏移地址。例如来了个fd=10000，每个块存放的最大item数量MAX=1024，那么fd对应的block序号等于10000/1024=9；偏移量等于10000%1024=784。这样就可以找到fd对应的数据存放地址item。

数据结构的代码实现如下：

struct ntyevnt{
   
   
    int fd;//事件fd
    char buffer[BUFFER_LENGTH];//缓冲区
    int length;//缓存长度
    int status;//状态

    int events;//事件
    void *arg;//callback的参数
    int(*callback)(int fd, int events, void* arg);//回调函数
};
struct eventblock{
   
   
    struct *sock_items;//事件集合
    struct eventblock *next;//指向下一个内存块
};
struct reactor{
   
   
    int epfd;//epoll的文件描述符
    int blkcnt;//事件块的数量
    struct eventblock *evtblk;//事件块的起始地址
};

step 2：实现Reactor容器初始化功能

我们这里使用epoll作为IO多路复用器。
思路：初始化reactor内存块，避免脏数据；创建events和block并初始化，将events添加到block中，将block添加到reactor的链表中管理。

int ntyreactor_init(struct ntyreactor *reactor)
{
   
   
    if (reactor == NULL)
        return -1;
    memset(reactor, 0, sizeof(struct ntyreactor));
    //创建epoll，作为IO多路复用器
    reactor->epfd = epoll_create(1);
    if (reactor->epfd <= 0)
    {
   
   
        printf("create epfd in %s error %s\n", __func__, strerror(errno));
        return -2;
    }

    // 创建事件集
    struct ntyevnt *events = (struct ntyevnt *)malloc(MAX_EPOLL_EVENTS * sizeof(struct ntyevnt));
    if (events == NULL)
    {
   
   
        printf("create ntyevnt in %s error %s\n", __func__, strerror(errno));
        close(reactor->epfd);
        return -3;
    }
    memset(events, 0, (MAX_EPOLL_EVENTS) * sizeof(struct ntyevent));

    //创建事件内存块
    struct eventblock *block = (struct eventblock*)malloc(sizeof(struct eventblock));
    if (block == NULL)
    {
   
   
        printf("create eventblock in %s error %s\n", __func__, strerror(errno));
        free(events);
        close(reactor->epfd);
        return -4;
    }
    block->events = events;
    block->next = NULL;

    // reactor初始化赋值
    reactor->evblks=block;
    reactor->blkcnt = 1;

    return 0;
}

step 3：实现socket初始化功能

定义成一个函数，方便初始化多个监听端口。

int init_sock(short port)
{
   
   
    int ret = 0;
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//创建套字接
    if (fd == -1)
    {
   
   
        printf("create socket in %s error %s\n", __func__, strerror(errno));
        return -1;
    }
    ret=fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);//设置非阻塞
    if (ret == -1)
    {
   
   
        printf("fcntl O_NONBLOCK in %s error %s\n", __func__, strerror(errno));
        return -1;
    }

    // 设置属性
    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;// IPV4
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(port);

    // 绑定
    ret = bind(fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
    if (ret == -1)
    {
   
   
        printf("bind() in %s error %s\n", __func__, strerror(errno));
        return -1;
    }

    //监听
    ret = listen(fd, 20);
    if (ret < 0)
    {
   
   
        printf("listen failed : %s\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    printf("listen server port : %d\n", port);

    return fd;
}

step 4：实现Reactor动态扩容功能

为了实现高并发，服务器需要监听多个端口。当高并发时需要reactor容器进行扩容管理。
核心思路：找到链表的末端，分别为events和block分配内存并初始化，将events添加到block中，将block添加到reactor的链表中管理。

int ntyreactor_alloc(struct ntyreactor *reactor)
{
   
   
    if (reactor == NULL)
        return -1;
    if (reactor->evblks == NULL)
        return -1;

    //找到链表末端
    struct eventblock *blk = reactor->evblks;
    while (blk->next != NULL)
        blk = blk->next;

    // 创建事件集
    struct ntyevent *evs = (struct ntyevent*)malloc((MAX_EPOLL_EVENTS) * sizeof(struct ntyevent));
    if (evs == NULL)
    {
   
   
        printf("ntyreactor_alloc ntyevent failed\n");
        return -2;
    }
    memset(evs, 0, (MAX_EPOLL_EVENTS) * sizeof(struct ntyevent));

    // 创建事件块
    struct eventblock *block = (struct eventblock*)malloc(sizeof(struct eventblock));
    if (block == NULL)
    {
   
   
        printf("ntyreactor_alloc eventblock failed\n");
        return -3;
    }
    block->events = evs;
    block->next = NULL;

    //实现扩容
    blk->next = block;
    reactor->blkcnt++;

    return 0;
}

step 5：实现Reactor索引功能

思路：通过fd/MAX先找到fd对应的block号，再通过fd%MAX找到对应的偏移地址。
例如来了个fd=10000，每个块存放的最大item数量MAX=1024，那么fd对应的block序号等于10000/1024=9；偏移量等于10000%1024=784。这样就可以找到fd对应的数据存放地址item。

struct ntyevent *ntyreactor_idx(struct ntyreactor *reactor, int sockfd)
{
   
   
    if (reactor == NULL)
        return NULL;
    if (reactor->evblks == NULL)
        return NULL;
    // fd所在block序号
    int blkidx = sockfd / MAX_EPOLL_EVENTS;
    while (blkidx >= reactor->blkcnt)
    {
   
   
        // 扩容
        ntyreactor_alloc(reactor);
    }

    //找到fd对应block的位置
    int i = 0;
    struct eventblock *blk = reactor->evblks;
    while (i++ != blkidx && blk != NULL)
    {
   
   
        blk = blk->next;
    }

    // 返回item 地址
    return &blk->events[sockfd%MAX_EPOLL_EVENTS];
}

step 6：实现设置事件信息功能

将事件的相关信息保存到数据结构中。主要实现填充关键信息到event结构体中。

void nty_event_set(struct ntyevent *ev,int fd,NCALLBACK callback,void *arg)
{
   
   
    ev->fd = fd;
    ev->events = 0;
    ev->callback = callback;
    ev->arg = arg;
}

step 7：实现IO事件监听功能

这里使用epoll作为IO多路复用器，将事件添加到epoll中监听。
思路：主要是epoll_ctl操作，将事件添加到reactor的event结构体中。

int nty_event_add(int epfd, int events, struct ntyevent *ev)
{
   
   
    // 设置epoll事件信息
    struct epoll_event ep_ev = {
   
    0,{
   
   0} };
    ep_ev.data.ptr = ev;
    ep_ev.events = ev->events = events;

    // 判断，设置epfd的操作模式
    int op;
    if (ev->status == 1)
        op = EPOLL_CTL_MOD;
    else
    {
   
   
        op = EPOLL_CTL_ADD;
        ev->status = 1;
    }


    // 设置epoll
    int ret = epoll_ctl(epfd, op, ev->fd, &ep_ev);
    if (ret < 0)
    {
   
   
        printf("event add failed [fd=%d], events[%d],ret:%d\n", ev->fd, events,ret);
        printf("event add failed in %s error %s\n", __func__, strerror(errno));
        return -1;
    }

    return 0;
}

step 8：实现IO事件移除功能

由于设置了非阻塞模式，当事件到来时，需要暂时移除监听，避免干扰。

int nty_event_del(int epfd, struct ntyevent *event)
{
   
   
    if (event->status != 1)
        return -1;

    struct epoll_event ep_ev = {
   
    0,{
   
   0} };
    ep_ev.data.ptr = event;
    event->status = 0;
    // 移除fd的监听
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTR_DEL, &ep_ev);
    return 0;
}

step 9：实现Reactor事件监听功能

思路：设置fd的事件信息，添加事件到epoll监听。

int ntyreactor_addlistener(struct ntyreactor *reactor,int sockfd,NCALLBACK *acceptor)
{
   
   
    if (reactor == NULL)
        return -1;
    if (reactor->evblks == NULL)
        return -1;

    // 找到fd对应的event地址
    struct ntyevent *event = ntyreactor_idx(reactor, sockfd);
    if (event == NULL)
        return -1;
    // 设置fd的事件信息
    nty_event_set(event, sockfd, acceptor, reactor);
    // 添加事件到epoll监听
    nty_event_add(reactor->epfd, EPOLLIN, event);

    return 0;
}

step 10：实现recv回调函数

思路：找到fd对应的信息内存块；使用recv接收数据；暂时移除该事件的监听；如果接收成功，设置监听事件为是否可写，添加到IO多路复用器（epoll）中；返回收到的数据长度。

int recv_cb(int fd, int events, void *arg)
{
   
   
    struct ntyreactor *reactor = (struct ntyreactor *)arg;
    if (reactor == NULL)
        return -1;
    // 找到fd对应的event地址
    struct ntyevent *event = ntyreactor_idx(reactor, fd);
    if (event == NULL)
        return -1;
    // 接收数据
    int len = recv(fd, event->buffer, BUFFER_LENGTH, 0);
    // 暂时移除监听
    nty_event_del(reactor->epfd, event);
    if (len > 0)
    {
   
   
        event->length = len;
        event->buffer[len] = '\0';
        printf("recv [%d]:%s\n", fd, event->buffer);
        //设置fd的事件信息
        nty_event_set(event, fd, send_cb, reactor);
        // 添加事件到epoll监听
        nty_event_add(reactor->epfd, EPOLLOUT, event);
    }
    else if (len == 0)
    {
   
   
        nty_event_del(reactor->epfd, event);
        printf("recv_cb --> disconnect\n");
        close(event->fd);
    }
    else {
   
   

        if (errno == EAGAIN && errno == EWOULDBLOCK) {
   
    //

        }
        else if (errno == ECONNRESET) {
   
   
            nty_event_del(reactor->epfd, event);
            close(event->fd);
        }
        printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno));

    }
    return len;
}

step 11：实现send回调函数

思路：找到fd对应的信息内存块；使用send发送数据；暂时移除该事件的监听；如果发送成功，设置监听事件为是否可读，添加到IO多路复用器（epoll）中；返回发送的数据长度。

int send_cb(int fd, int events, void *arg)
{
   
   
    struct ntyreactor *reactor = (struct ntyreactor*)arg;
    if (reactor == NULL)
    {
   
   
        return -1;
    }

    // 查找fd对应的信息存放内存块
    struct ntyevent *ev = ntyreactor_idx(reactor, fd);
    if (ev == NULL)
        return -1;

    int len = send(fd, ev->buffer, BUFFER_LENGTH, 0);
    // 暂时移除监听
    nty_event_del(reactor->epfd, ev);

    if (len > 0)
    {
   
   

        printf("send[fd=%d], [%d]%s\n", fd, len, ev->buffer);
        nty_event_set(ev, fd, recv_cb, reactor);
        nty_event_add(reactor->epfd, EPOLLIN, ev);
    }
    else
    {
   
   
        close(ev->fd);
        printf("send[fd=%d] error %s\n", fd, strerror(errno));
    }
    return len;
}

step 12：实现accept回调函数

思路：使用accept获得连接的客户端fd；设置客户端fd为非阻塞模式；找到fd对应的信息内存块；设置fd的事件信息；设置监听事件为是否可读，添加到IO多路复用器（epoll）中。

int accept_cb(int fd, int events, void *arg)
{
   
   
    struct ntyreactor *reactor = (struct ntyreactor *)arg;
    if (reactor == NULL)
        return -1;

    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t len = sizeof(client_addr);

    int client_fd = accept(fd,(struct sockaddr*)&client_addr,&len);
    if (client_fd == -1)
    {
   
   
        printf("accept: %s\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    int flag = fcntl(client_fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
    if ((flag = fcntl(client_fd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0) {
   
   
        printf("%s: fcntl nonblocking failed, %d\n", __func__, MAX_EPOLL_EVENTS);
        return -1;
    }

    // 找到fd对应的event地址
    struct ntyevent *event = ntyreactor_idx(reactor, client_fd);
    if (event == NULL)
        return -1;
    // 设置fd的事件信息
    nty_event_set(event, client_fd, recv_cb, reactor);
    // 添加事件到epoll监听
    nty_event_add(reactor->epfd, EPOLLIN, event);

    printf("new connect [%s:%d], pos[%d]\n",
        inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port), client_fd);

    return 0;
}

step 13：实现reactor运行函数

主要是epoll的等待功能，将监听到的事件进行回调处理。

int ntyreactor_run(struct ntyreactor *reactor)
{
   
   
    if (reactor == NULL)
        return -1;
    if (reactor->epfd < 0)
        return -1;
    if (reactor->evblks == NULL)
        return -1;

    struct epoll_event events[MAX_EPOLL_EVENTS + 1];
    int i;
    while (1)
    {
   
   
        // epoll监听客户端接入
        int nready = epoll_wait(reactor->epfd, events, MAX_EPOLL_EVENTS, 1000);
        if (nready < 0)
        {
   
   
            printf("epoll wait error\n");
            continue;
        }
        for (i = 0; i < nready; i++)
        {
   
   
            struct ntyevent *ev = (struct ntyevent *)events[i].data.ptr;
            if ((events[i].events &EPOLLIN) && (ev->events &EPOLLIN))
            {
   
   
                // 处理可读事件
                ev->callback(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
            }
            if ((events[i].events &EPOLLOUT) && (ev->events &EPOLLOUT))
            {
   
   
                //处理可写事件
                ev->callback(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
            }
        }
    }

}

step 14：实现reactor销毁功能

int ntyreactor_destory(struct ntyreactor *reactor)
{
   
   
    // 关闭epoll
    close(reactor->epfd);

    struct eventblock *blk= reactor->evblks;
    struct eventblock *next;

    while (blk != NULL)
    {
   
   
        next = blk->next;
        // 释放内存块
        free(blk->events);
        free(blk);
        blk = next;
    }
    return 0;
}

简单使用示例

int main(int argc,char* argv[])
{
   
   
    // 创建reactor对象
    struct ntyreactor *reactor = (struct ntyreactor*)malloc(sizeof(struct ntyreactor));
    // 初始化reactor容器
    ntyreactor_init(reactor);

    // 定义监控的socket开始端口
    unsigned short port = SERVER_PORT;
    if (argc == 2)
    {
   
   
        port = atoi(argv[1]);
    }

    // 初始化套字接和监听端口列表
    int i = 0;
    int sockfds[PORT_COUNT] = {
   
    0 };
    for(i=0;i<PORT_COUNT;i++)
    {
   
   
        // 初始化socket端口
        sockfds[i] = init_sock(port + i);
        // 添加事件监听
        ntyreactor_addlistener(reactor, sockfds[i], accept_cb);
    }

    // reactor运行，主要是epoll的循环监听
    ntyreactor_run(reactor);
    // 销毁 reactor
    ntyreactor_destory(reactor);

    // 关闭socket集
    for (i = 0; i < PORT_COUNT; i++)
    {
   
   
        close(sockfds[i]);
    }

    // 释放reactor
    free(reactor);

    return 0;
}

四、总结

1、创建一个reactor对象，分配内存。
2、Reactor容器初始化：
（1）创建IO多路复用器epoll，将文件描述符epfd保存到reactor容器中；
（2）创建一个事件集合MAX_EPOLL_EVENTS * sizeof(struct events)；
（3）创建一个管理模块，用于管理（2）中创建的事件集合。这是一个链表，一个指针指向（2）中创建的事件集合，一个指针指向下一个块（block）；
（4）将事件集合添加到管理模块（block）中进管理；
（5）将管理模块（block）保存到reactor容器，同时reactor的管理模块（block）置为1；
（6）注意：如果申请内存使用malloc函数，最好使用memset将内存块初始化，避免脏数据。
3、soket初始化：
（1）创建一个监听socket fd，socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
（2）设置socket fd为非阻塞模式，fcntl(fd,SETFL,O_NONBLOCK)；
（3）配置socket属性，主要是struct sockaddr_in结构体的sin_family、sin_addr.s_addr、sin_port；
（4）bind()；
（5）listen()；
4、事件监听
（1）以fd为key找到对应的管理块序号和偏移地址；
（2）设置事件信息；
（3）添加监听事件：是否可读。
5、reactor主循环（mainloop），主要是epoll的循环监听，处理事件到相关回调函数。
（1）事件监听，epoll_wait；
（2）回调函数recv，处理可读事件（EPOLLIN）；
（3）回调函数send，处理可写事件（EPOLLOUT）。
6、销毁reactor，注意是事件集内存块的释放和链表的内存释放。
7、close监听端口socket fd。
8、释放reactor内存。
image.png

文章标签：
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关键词：
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