Reactor模式及在DSS中的体现

开发 后端
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,如果相应的事件发生,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”。用“好莱坞原则”来形容Reactor再合适不过了:不要打电话给我们,我们会打电话通知你。

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 。 

模式框架

 

1) Handle 

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。 

2) Event Demultiplexer 

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(Handler)。 

3) Reactor(Initiation Dispatcher) 

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。 

4) Event Handler 

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。 

5) 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。 

事件处理流程

模式模型

应用场景举例

场景: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。

传统做法: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。

Reactor做法: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。

1) 单线程模型

这是最简单的单Reactor单线程模型。Reactor线程是个多面手,负责多路分离套接字,Accept新连接,并分派请求到处理器链中。该模型适用于处理器链中业务处理组件能快速完成的场景。不过这种单线程模型不能充分利用多核资源,所以实际使用的不多。 

2) 多线程模型(单Reactor) 

相比上一种模型,该模型在事件处理器(Handler)链部分采用了多线程(线程池),也是后端程序常用的模型。 

 

3) 多线程模型(多Reactor) 

这个模型比起第二种模型,它是将Reactor分成两部分,mainReactor负责监听并accept新连接,然后将建立的socket通过多路复用器(Acceptor)分派给subReactor。subReactor负责多路分离已连接的socket,读写网络数据;业务处理功能,其交给worker线程池完成。通常,subReactor个数上可与CPU个数等同。

  

优缺点 

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; 

缺点 

  • 应用受限制:Reactor模式只能应用在支持Handle的操作系统上。虽然可以使用多线程模拟Reactor,但因为同步控制和上下文切换的要求,这种实现效率低,与Reactor模式出发点相违背。

  • 非抢占模式:在单线程的实现这种情况下,事件的处理必须不能使用阻塞的I/O,因此,如果存在长期操作,比如传输大量的数据。使用主动对象,效率可能更好,主动对象可以并发的处理这些任务。

  • 难以调试:使用Reactor模式的应用程序可能会难以调试,因为程序运行的控制流会在框架和应用相关的处理器之间跳转,不了解框架的应用程序开发人员难一跟着调试。 

相关库 

ACE 

ACE是一个大型的中间件产品,代码20万行左右,过于宏大,一堆的设计模式,架构了一层又一层,使用的时候,要根据情况,看从那一层来进行使用。支持跨平台。 

设计模式 :ACE主要应用了Reactor,Proactor等; 

层次架构 :ACE底层是C风格的OS适配层,上一层基于C++的wrap类,再上一层是一些框架 (Accpetor,Connector,Reactor,Proactor等),最上一层是框架上服务; 

可移植性 :ACE支持多种平台,可移植性不存在问题,据说socket编程在linux下有不少bugs; 

事件分派处理 :ACE主要是注册handler类,当事件分派时,调用其handler的虚挂勾函数。实现 ACE_Handler/ACE_Svc_Handler/ACE_Event_handler等类的虚函数; 

涉及范围 :ACE包含了日志,IPC,线程池,共享内存,配置服务,递归锁,定时器等; 

线程调度 :ACE的Reactor是单线程调度,Proactor支持多线程调度; 

发布方式 :ACE是开源免费的,不依赖于第三方库,一般应用使用它时,以动态链接的方式发布动态库;开发难度 :基于ACE开发应用,对程序员要求比较高,要用好它,必须非常了解其框架。在其框架下开发,往往new出一个对象,不知在什么地方释放好。 

Libevent 

libevent是一个C语言写的网络库,官方主要支持的是类linux操作系统,最新的版本添加了对windows的IOCP的支持。在跨平台方面主要通过select模型来进行支持。 

设计模式 :libevent为Reactor模式; 

层次架构:livevent在不同的操作系统下,做了多路复用模型的抽象,可以选择使用不同的模型,通过事件函数提供服务; 

可移植性 :libevent主要支持linux平台,freebsd平台,其他平台下通过select模型进行支持,效率不是太高; 

事件分派处理 :libevent基于注册的事件回调函数来实现事件分发;

涉及范围 :libevent只提供了简单的网络API的封装,线程池,内存池,递归锁等均需要自己实现;

线程调度 :libevent的线程调度需要自己来注册不同的事件句柄;

发布方式 :libevent为开源免费的,一般编译为静态库进行使用;

开发难度 :基于libevent开发应用,相对容易,具体可以参考memcached这个开源的应用,里面使用了 libevent这个库。 

Libev

与 libevent 一样,libev 系统也是基于事件循环的系统,它在 poll()、select() 等机制的本机实现的基础上提供基于事件的循环。libev 实现的开销更低,能够实现更好的基准测试结果。 

Reactor模式在DSS中的体现

Darwin流媒体服务器是由父进程及其fork出来的子进程构成的,子进程就是核心服务器。父进程的职责就是等待子进程退出。如果子进程出错退出,则父进程就会fork一个新的子进程,从而保证视频服务器继续提供服务。核心服务器的作用是充当VOD(视频点播)客户端与服务器模块之间的接口,VOD客户端采用RTP和RTSP协议向服务器发送请求并接收响应,服务器模块负责处理VOD客户端的请求并向VOD客户端发送数据包。

在DSS中,除主线程以外,还有有三种类型的线程:

  • TaskThread:TaskThread通过运行Task类型对象的Run方法来完成相应Task的处理。典型的Task类型是RTSPSession和RTPSession。TaskThread的个数是可配置的,缺省情况下TaskThread的个数与处理器的个数一致。等待被TaskThread调用并运行的Task放在队列或者堆中。

  • EventThread:EventThread负责侦听套接口事件,在DSS中,有两种被侦听的事件,分别是建立RTSP连接请求的到达和RTSP请求的到达。对于RTSP连接请求的事件,EventThread建立一个RTSP
    Session,并启动针对相应的socket的侦听。对于RTSP请求的事件,EventThread把对应的RTSPSession类型的Task加入到TaskThread的队列中,等待RTSP请求被处理。

  • IdleTaskThread:IdleTaskThread管理IdleTask类型对象的队列,根据预先设定的定时器触发IdleTask的调度。TCPListenerSocket就是一个IdleTask的派生类,当并发连接数达到设定的最大值时,会把派生自TCPListenerSocket的RTSPListenerSocket加入到IdleTaskThread管理的IdleTask队列中,暂时停止对RTSP端口的侦听,直到被设定好的定时器触发。

下图是Darwin Streaming Server核心架构的示意图。在这个示意图中有三种类型的要素,分别是线程,Task队列或者堆,被侦听的事件。 

其中,事件线程(Event thread)是Event Demultiplexer(事件分离器),任务线程(Task threads)是Event Handler(事件处理器)。

 

这里的主线程(Main thread)就是Reactor模式中的Reactor(Initiation Dispatcher)。

E-Mail : Mike_Zhang@live.com

原文链接:http://www.cnblogs.com/MikeZhang/archive/2012/08/16/ReactorPattern20120815.html

责任编辑:林师授 来源: 博客园
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