高性能I/O模式:Reactor和Proactor

Posted 2021-05-02 开源java学习

同步和异步

同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的，同步指的是用户进程触发I/O操作并等待或者轮询的去查看I/O操作是否就绪，而异步是指用户进程触发I/O操作以后便开始做自己的事情，而当I/O操作已经完成的时候会得到I/O完成的通知。

阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候，根据I/O操作的就绪状态来采取的不同方式，说白了是一种读取或者写入操作函数的实现方式，阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待，而非阻塞方式下，读取或者写入函数会立即返回一个状态值。

I/O模型

一般来说I/O模型可以分为：

• 同步阻塞I/O

  在此种方式下，用户进程在发起一个I/O操作以后，必须等待I/O操作的完成，只有当真正完成了I/O操作以后，用户进程才能运行。Java传统的I/O模型属于此种方式。

• 同步非阻塞I/O

  在此种方式下，用户进程发起一个I/O操作以后边可返回做其它事情，但是用户进程需要时不时的询问I/O操作是否就绪，这就要求用户进程不停的去询问，从而引入不必要的CPU资源浪费。目前Java的NIO就属于同步非阻塞I/O。

• 异步阻塞I/O

  此种方式下是指应用发起一个I/O操作以后，不等待内核I/O操作的完成，等内核完成I/O操作以后会通知应用程序，这其实就是同步和异步最关键的区别，同步必须等待或者主动的去询问I/O是否完成，那么为什么说是阻塞的呢？因为此时是通过 select 系统调用来完成的，而 select 函数本身的实现方式是阻塞的，而采用 select 函数有个好处就是它可以同时监听多个文件句柄，从而提高系统的并发性。

• 异步非阻塞I/O

  在此种模式下，用户进程只需要发起一个I/O操作然后立即返回，等I/O操作真正的完成以后，应用程序会得到I/O操作完成的通知，此时用户进程只需要对数据进行处理就好了，不需要进行实际的I/O读写操作，因为真正的I/O读取或者写入操作已经由内核完成了。目前Java中还没有支持此种I/O模型。

Reactor和Proactor模式

在高性能的I/O设计中，有两个比较著名的模式，Reactor和Proactor模式，其中Reactor模式用于同步I/O，而Proactor运用于异步I/O操作。

首先来看看Reactor模式，Reactor模式应用于同步I/O的场景。

Reactor设计模式中的要素如下：

• Handles ：也就是网络连接、文件句柄等，是事件源。

• Synchronous Event Demultiplexer ：同步事件的解复用（或者说派发），具体的比如 select 调用。比select 更加高效的有Linux下的 epoll ，FreeBSD下的 kqueue 以及Windows下的 iocp （IO
  Completion port）。

• Initiation Dispatcher ：注册、移除和分派事件处理器。

• Event Handler ：事件处理器。

我们分别以读操作和写操作为例来看看Reactor中的具体步骤：

读取操作：

1. 应用程序注册读取事件和相关联的事件处理器。

2. 事件分离器等待事件的发生。

3. 当发生读取事件的时候，事件分离器调用第一步注册的事件处理器。

4. 事件处理器首先执行实际的读取操作，然后根据读取到的内容进行进一步的处理。

写入操作类似于读取操作，只不过第一步注册的是写就绪事件。

下面我们来看看Proactor模式中读取操作和写入操作的过程：

读取操作：

1. 应用程序初始化一个异步读取操作，然后注册相应的事件处理器，此时事件处理器不关注读取就绪事件，而是关注读取完成事件，这是区别于Reactor的关键。

2. 事件分离器等待读取操作完成事件。

3. 在事件分离器等待读取操作完成的时候，操作系统调用内核线程完成读取操作，并将读取的内容放入用户传递过来的缓存区中。这也是区别于Reactor的一点，Proactor中，应用程序需要传递缓存区。

4. 事件分离器捕获到读取完成事件后，激活应用程序注册的事件处理器，事件处理器直接从缓存区读取数据，而不需要进行实际的读取操作。

Proactor中写入操作和读取操作，只不过感兴趣的事件是写入完成事件。

从上面可以看出，Reactor和Proactor模式的主要区别就是真正的读取和写入操作是有谁来完成的，Reactor中需要应用程序自己读取或者写入数据，而Proactor模式中，应用程序不需要进行实际的读写过程，它只需要从缓存区读取或者写入即可，操作系统会读取缓存区或者写入缓存区到真正的I/O设备。

综上所述，同步和异步是相对于应用和内核的交互方式而言的，同步需要主动去询问，而异步的时候内核在I/O事件发生的时候通知应用程序，而阻塞和非阻塞仅仅是系统在调用系统调用的时候函数的实现方式而已。