驾驭网络技术的未来：探索Reactor网络模型在当今应用领域的革新

2023-07-20 262

版权

本文内容由阿里云实名注册用户自发贡献，版权归原作者所有，阿里云开发者社区不拥有其著作权，亦不承担相应法律责任。具体规则请查看《阿里云开发者社区用户服务协议》和《阿里云开发者社区知识产权保护指引》。如果您发现本社区中有涉嫌抄袭的内容，填写侵权投诉表单进行举报，一经查实，本社区将立刻删除涉嫌侵权内容。

本文涉及的产品

Redis 开源版，标准版 2GB

云数据库 Tair（兼容Redis），内存型 2GB

简介： 本文介绍了Linux网络设计中的Reactor网络模型及其在实际应用中的重要性。Reactor模型是一种经典的事件驱动设计模式，广泛应用于构建高性能、可扩展的网络服务器。我们将探讨Reactor模型的基本原理和组成部分，并详细介绍了Reactors模型在Linux网络编程中的实现方式。首先解释了Reactor模型中的关键概念，如事件、事件处理器和事件循环，以及它们之间的交互过程。然后深入分析了Reactor模型的两种主要实现形式：单线程Reactor和多线程Reactor，并比较了它们的优缺点及适用场景。

一、reactor网络模型编程介绍

reactor是将对IO的检测转换为对事件的处理，是一种异步事件机制。reactor会使用IO多路复用进行IO检测，IO多路复用器一般是：select、poll、epoll。
reactor大致逻辑：
（1）socket()创建一个套接字，listenfd；
（2）bind()、listen()配置listenfd，绑定和监听；
（3）listenfd注册读事件，交由epoll管理
（4）读事件触发，回调accept
（5）客户端连接clientfd组成读事件
（6）相关事件调用相关回调函数

1.1、建立连接

接收客户端连接。

//...
int epfd=epoll_create(1);//创建epoll对象

//...
int listenfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//创建套接字

//...
struct epoll_event ev;
ev.events=EPOLLIN;
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd，&ev)//注册事件

//...
// 当触发listenfd的读事件，调用accept接收连接
struct sockaddr_in clientaddr;
socklen_t len=sizeof(clientaddr);
int clientfd=accept(listenfd,(struct sockaddr *)&clientaddr,&len);

struct epoll_event ev;
ev.events=EPOLLIN;
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,clientfd，&ev)//注册新连接的读事件

//...

连接第三方服务。

//...
int epfd=epoll_create(1);//创建epoll对象

//...
int fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//创建套接字

//...
struct sockaddr_in clientaddr;
socklen_t len=sizeof(clientaddr);
connect(fd,(struct sockaddr *)&clientaddr,&len);//连接服务

//...
struct epoll_event ev;
ev.events=EPOLLOUT;
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,fd，&ev)//注册事件

//...
// 当触发fd的写事件，连接建立成功
if(status==e_connecting && ev.events==EPOLLOUT)
{
   
   
    status=e_connected;
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL.fd,NULL);
}

//...

1.2、断开连接

//...
if(ev.events & EPOLLRDHUP)
{
   
   
    // 关闭服务器读端
    close_read(fd);
}
if(ev.events & EPOLLHUP)
{
   
   
    // 关闭服务器读写端
    close(fd);
}

//...

1.3、数据到达

// ...
if(ev.events & EPOLLIN)
{
   
   
    while(1)
    {
   
   
        int n=recv(clientfd,buffer,buffer_size,0);
        if(n<0)
        {
   
   
            if(errno==EINTR)
                continue;
            if(errno==EWOULDBLOCK)
                break;
            close(clientfd);
        }
        else if(n==0)
        {
   
   
            close_read();
        }
        else
        {
   
   
            // 处理业务
        }
    }
    // ...
}

// ...

1.4、数据发送

// ...
if(ev.events & EPOLLOUT)
{
   
   
    int n=send(clientfd,buffer,buffer_size,0);
    if(n<0)
    {
   
   
        if(errno==EINTR)
            continue;
        if(errno==EWOULDBLOACK)
        {
   
   
            struct epoll_event e;
            e.events=EPOLLOUT;
            epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,clientfd，&e)//注册事件
            return;
            // break;
        }
        close(clientfd);
    }
    else if(n==buffer_size)
    {
   
   
        epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,clientfd,NULL);
        // epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,clientfd,&e);
    }
    // ...
}

//...

1.5、reactor常见疑问

1、epoll惊群
何为”惊群“？网络编程经常使用多线程、多进程模型，每个线程或进程中都有一个epoll对象，通过socket()、bind()、listen()生成的listenfd可能会给多个epoll对象管理，当一个accept到来时所有的epoll都收到通知，所有进程或线程同时响应这一事件，然而最终只有一个accept成功。这就是”惊群“。
2、水平触发和边沿触发
水平触发：当读缓冲区中有数据时，一直触发，直到数据被读完。
边沿触发：来一次事件触发一次。读写操作一般需要配合循环才能全部读写完成。
3、reactor为什么要搭配非阻塞IO？
主要是三方面原因：
（1）多线程环境下，一个listenfd会被多个epoll（IO多路复用器）对象管理，当一个连接到来时所有的epoll都收到通知，所有的epoll都会去响应，但最终只有一个accept成功；如果使用阻塞，那么其他的epoll将一直被阻塞着。所以最好使用非阻塞IO及时返回。
（2）边沿触发下，事件触发才会读事件，那么需要在一次事件循环中把缓冲区读空；如果使用阻塞模式，那么当读缓冲区的数据被读完后，就会一直阻塞住无法返回。
（3）select bug。当某个socket接收缓冲区有新数据分节到达，然后select报告这个socket描述符可读，但随后，协议栈检查到这个新分节检验和错误，然后丢弃了这个分节，这时调用recv/read则无数据可读；如果socket没有设置成nonblocking，此recv/read将阻塞当前线程。
4、IO多路复用一定要搭配非阻塞IO吗？
不是，也可以使用阻塞模式。比如MySQL使用select接收连接，然后一个连接使用一个线程进行处理；也可以使用一个系统调用先获取读缓冲区的字节数，然后读一次就把数据读完，但是这样就导致效率比较低。

int n=EVBUFFER_MAX_READ_DEFAULT;
ioctl(fd,FIONREAD,&n);//获取读缓冲区的数据字节数

二、reactor应用场景

使用单个reactor的场景和使用多个reactor的场景。使用多个reactor又有多线程和多进程的不同用法。

2.1、redis——使用单reactor

redis是一种key-value结构、有丰富的数据结构、对内存进行操作的网络数据库组件。redis的命令处理是单线程的。

2.1.1、redis为什么使用单reactor？

要理解redis为什么只使用单个reactor，需要明白redis的命令处理是单线程的。
redis提供丰富的数据结构，对这些数据结构进行加锁非常复杂，所以redis使用单线程进行处理；因为使用单线程进行命令处理，核心业务逻辑是单线程，那么使用再多的reactor是无法处理过来的；所以，redis使用单个reactor。

另外，redis操作具体命令的时间复杂度比较低，更加没有必要使用多个reactor。

2.1.2、redis处理reactor框图

2.1.3、redis对reactor的优化

对业务逻辑进行了优化，引入IO线程：
接收完数据后，将数据抛到IO线程进行处理；发送数据之前，将打包数据放在IO线程进行处理，再发送出去。参考上图，就是将(read+decode)放到线程中处理，将(encode+write)放在线程中处理。
原因：
对于单线程而言，当接收的数据或发送的数据过大时，会造成线程负载过大，需要引用多线程做IO数据处理。特别是解协议过程，数据庞大而且耗时，需要开一个IO线程进行处理。
场景例子：
客户端上传日志记录；客户端获取排行榜记录。