高性能IO設計中的Reactor模式與Proactor模式

在高性能的IO設計中，有兩個比較著名的模式Reactor和Proactor模式，其中Reactor模式用於同步I/O，而Proactor運用於異步I/O操做。在比較這兩個模式以前，咱們首先要搞明白幾個概念。什麼是阻塞和非阻塞？什麼是同步和異步？同步和異步是針對應用程序和內核的交互而言的，同步指的是用戶進程觸發IO操做並等待或者輪詢的去查看IO操做是否就緒，而異步是指用戶進程觸發IO操做之後便開始作本身的事情，而當IO操做已經完成的時候會獲得IO完成的通知（異步的特色就是通知）。而阻塞和非阻塞是針對於進程在訪問數據的時候，根據IO操做的就緒狀態來採起的不一樣方式，說白了是一種讀取或者寫入操做函數的實現方式，阻塞方式下讀取或者寫入函數將一直等待，而非阻塞方式下，讀取或者寫入函數會當即返回一個狀態值。 通常來講IO模型能夠分爲：同步阻塞，同步非阻塞，異步阻塞，異步非阻塞。

同步阻塞IO

在此種方式下，用戶進程在發起一個IO操做之後，必須等待IO操做的完成，只有當真正完成了IO操做之後，用戶進程才能運行。java傳統的IO模型屬於此種方式！

同步非阻塞IO

在此種方式下，用戶進程發起一個IO操做之後可返回作其它事情，可是用戶進程須要時不時的詢問IO操做是否就緒，這就要求用戶進程不停的去詢問，從而引入沒必要要的CPU資源浪費。目前Java的NIO就屬於同步非阻塞IO。

異步阻塞IO

此種方式下是指應用發起一個IO操做之後，不等待內核IO操做的完成，等內核完成IO操做之後會通知應用程序，這其實就是同步和異步最關鍵的區別，同步必須等待或者主動的去詢問IO是否完成，那麼爲何說是阻塞的呢？由於此時是經過select系統調用來完成的，而select函數自己的實現方式是阻塞的，而採用select函數有個好處就是它能夠同時監聽多個文件句柄（若是從UNP的角度看，select屬於同步操做。由於select以後，進程還須要讀寫數據），從而提升系統的併發性！

異步非阻塞IO

在此種模式下，用戶進程只須要發起一個IO操做而後當即返回，等IO操做真正的完成之後，應用程序會獲得IO操做完成的通知，此時用戶進程只須要對數據進行處理就行了，不須要進行實際的IO讀寫操做，由於真正的IO讀取或者寫入操做已經由內核完成了。

搞清楚了以上概念之後，咱們再回過頭來看看，Reactor模式和Proactor模式。（其實阻塞與非阻塞均可以理解爲同步範疇下才有的概念，對於異步，就不會再去分阻塞非阻塞。對於用戶進程，接到異步通知後，就直接操做進程用戶空間裏的數據好了）。首先來看看Reactor模式，Reactor模式應用於同步IO的場景。咱們分別以讀操做和寫操做爲例來看看Reactor中的具體步驟。

讀取操做：

• 應用程序註冊讀就緒事件和相關聯的事件處理器

• 事件分離器等待事件的發生

• 當發生讀就緒事件的時候，事件分離器調用第一步註冊的事件處理器

• 事件處理器首先執行實際的讀取操做，而後根據讀取到的內容進行進一步的處理

寫操做：

寫入操做相似於讀取操做，只不過第一步註冊的是寫就緒事件。

下面咱們來看看Proactor模式中讀取操做和寫入操做的過程。

讀取操做：

• 應用程序初始化一個異步讀取操做，而後註冊相應的事件處理器，此時事件處理器不關注讀取就緒事件，而是關注讀取完成事件，這是區別於Reactor的關鍵。

• 事件分離器等待讀取操做完成事件

• 在事件分離器等待讀取操做完成的時候，操做系統調用內核線程完成讀取操做（異步IO都是操做系統負責將數據讀寫到應用傳遞進來的緩衝區供應用程序操做，操做系統扮演了重要角色），並將讀取的內容放入用戶傳遞過來的緩存區中。這也是區別於Reactor的一點，Proactor中，應用程序須要傳遞緩存區。

• 事件分離器捕獲到讀取完成事件後，激活應用程序註冊的事件處理器，事件處理器直接從緩存區讀取數據，而不須要進行實際的讀取操做。

寫操做：略。

Proactor中寫入操做和讀取操做，只不過感興趣的事件是寫入完成事件。

從上面能夠看出，Reactor和Proactor模式的主要區別就是真正的讀取和寫入操做是由誰來完成的，Reactor中須要應用程序本身讀取或者寫入數據，而Proactor模式中，應用程序不須要進行實際的讀寫過程，它只須要從緩存區讀取或者寫入便可，操做系統會讀取緩存區或者寫入緩存區到真正的IO設備。

綜上所述，同步和異步是相對於應用和內核的交互方式而言的，同步須要主動去詢問，而異步的時候內核在IO事件發生的時候通知應用程序，而阻塞和非阻塞僅僅是系統在調用系統調用的時候函數的實現方式而已。