专栏上一期我介绍了单服务器高性能的PPC和TPC模式，它们的优点是实现简单，缺点是都无法支撑高并发的场景，尤其是互联网发展到现在，各种海量用户业务的出现，PPC和TPC完全无能为力。今天我将介绍可以应对高并发场景的单服务器高性能架构模式：Reactor和Proactor。
Reactor
PPC模式最主要的问题就是每个连接都要创建进程（为了描述简洁，这里只以PPC和进程为例，实际上换成TPC和线程，原理是一样的），连接结束后进程就销毁了，这样做其实是很大的浪费。为了解决这个问题，一个自然而然的想法就是资源复用，即不再单独为每个连接创建进程，而是创建一个进程池，将连接分配给进程，一个进程可以处理多个连接的业务。
引入资源池的处理方式后，会引出一个新的问题：进程如何才能高效地处理多个连接的业务？当一个连接一个进程时，进程可以采用“read -> 业务处理 -> write”的处理流程，如果当前连接没有数据可以读，则进程就阻塞在read操作上。这种阻塞的方式在一个连接一个进程的场景下没有问题，但如果一个进程处理多个连接，进程阻塞在某个连接的read操作上，此时即使其他连接有数据可读，进程也无法去处理，很显然这样是无法做到高性能的。
解决这个问题的最简单的方式是将read操作改为非阻塞，然后进程不断地轮询多个连接。这种方式能够解决阻塞的问题，但解决的方式并不优雅。首先，轮询是要消耗CPU的；其次，如果一个进程处理几千上万的连接，则轮询的效率是很低的。
为了能够更好地解决上述问题，很容易可以想到，只有当连接上有数据的时候进程才去处理，这就是I/O多路复用技术的来源。
I/O多路复用技术归纳起来有两个关键实现点：
-
当多条连接共用一个阻塞对象后，进程只需要在一个阻塞对象上等待，而无须再轮询所有连接，常见的实现方式有select、epoll、kqueue等。
-
当某条连接有新的数据可以处理时，操作系统会通知进程，进程从阻塞状态返回，开始进行业务处理。
I/O多路复用结合线程池，完美地解决了PPC和TPC的问题，而且“大神们”给它取了一个很牛的名字：Reactor，中文是“反应堆”。联想到“核反应堆”，听起来就很吓人，实际上这里的“反应”不是聚变、裂变反应的意思，而是“事件反应”的意思，可以通俗地理解为“来了一个事件我就有相应的反应”，这里的“我”就是Reactor，具体的反应就是我们写的代码，Reactor会根据事件类型来调用相应的代码进行处理。Reactor模式也叫Dispatcher模式（在很多开源的系统里面会看到这个名称的类，其实就是实现Reactor模式的），更加贴近模式本身的含义，即I/O多路复用统一监听事件，收到事件后分配（Dispatch）给某个进程。
Reactor模式的核心组成部分包括Reactor和处理资源池（进程池或线程池），其中Reactor负责监听和分配事件，处理资源池负责处理事件。初看Reactor的实现是比较简单的，但实际上结合不同的业务场景，Reactor模式的具体实现方案灵活多变，主要体现在：
-
Reactor的数量可以变化：可以是一个Reactor，也可以是多个Reactor。
-
资源池的数量可以变化：以进程为例，可以是单个进程，也可以是多个进程（线程类似）。
将上面两个因素排列组合一下，理论上可以有4种选择，但由于“多Reactor单进程”实现方案相比“单Reactor单进程”方案，既复杂又没有性能优势，因此“多Reactor单进程”方案仅仅是一个理论上的方案，实际没有应用。
最终Reactor模式有这三种典型的实现方案：
-
单Reactor单进程/线程。
-
单Reactor多线程。
-
多Reactor多进程/线程。
以上方案具体选择进程还是线程，更多地是和编程语言及平台相关。例如，Java语言一般使用线程（例如，Netty），C语言使用进程和线程都可以。例如，Nginx使用进程，Memcache使用线程。
1.单Reactor单进程/线程
单Reactor单进程/线程的方案示意图如下（以进程为例）：
注意，select、accept、read、send是标准的网络编程API，dispatch和“业务处理”是需要完成的操作，其他方案示意图类似。
详细说明一下这个方案：
-
Reactor对象通过select监控连接事件，收到事件后通过dispatch进行分发。
-
如果是连接建立的事件，则由Acceptor处理，Acceptor通过accept接受连接，并创建一个Handler来处理连接后续的各种事件。
-
如果不是连接建立事件，则Reactor会调用连接对应的Handler（第2步中创建的Handler）来进行响应。
-
Handler会完成read->业务处理->send的完整业务流程。
单Reactor单进程的模式优点就是很简单，没有进程间通信，没有进程竞争，全部都在同一个进程内完成。但其缺点也是非常明显，具体表现有：
-
只有一个进程，无法发挥多核CPU的性能；只能采取部署多个系统来利用多核CPU，但这样会带来运维复杂度，本来只要维护一个系统，用这种方式需要在一台机器上维护多套系统。
-
Handler在处理某个连接上的业务时，整个进程无法处理其他连接的事件，很容易导致性能瓶颈。
因此，单Reactor单进程的方案在实践中应用场景不多，只适用于业务处理非常快速的场景，目前比较著名的开源软件中使用单Reactor单进程的是Redis。
需要注意的是，C语言编写系统的一般使用单Reactor单进程，因为没有必要在进程中再创建线程；而Java语言编写的一般使用单Reactor单线程，因为Java虚拟机是一个进程，虚拟机中有很多线程，业务线程只是其中的一个线程而已。
2.单Reactor多线程
为了克服单Reactor单进程/线程方案的缺点，引入多进程/多线程是显而易见的，这就产生了第2个方案：单Reactor多线程。
单Reactor多线程方案示意图是：
我来介绍一下这个方案：
-
主线程中，Reactor对象通过select监控连接事件，收到事件后通过dispatch进行分发。
-
如果是连接建立的事件，则由Acceptor处理，Acceptor通过accept接受连接，并创建一个Handler来处理连接后续的各种事件。
-
如果不是连接建立事件，则Reactor会调用连接对应的Handler（第2步中创建的Handler）来进行响应。
-
Handler只负责响应事件，不进行业务处理；Handler通过read读取到数据后，会发给Processor进行业务处理。
-
Processor会在独立的子线程中完成真正的业务处理，然后将响应结果发给主进程的Handler处理；Handler收到响应后通过send将响应结果返回给client。
单Reator多线程方案能够充分利用多核多CPU的处理能力，但同时也存在下面的问题：
-
多线程数据共享和访问比较复杂。例如，子线程完成业务处理后，要把结果传递给主线程的Reactor进行发送，这里涉及共享数据的互斥和保护机制。以Java的NIO为例，Selector是线程安全的，但是通过Selector.selectKeys()返回的键的集合是非线程安全的，对selected keys的处理必须单线程处理或者采取同步措施进行保护。
-
Reactor承担所有事件的监听和响应，只在主线程中运行，瞬间高并发时会成为性能瓶颈。
你可能会发现，我只列出了“单Reactor多线程”方案，没有列出“单Reactor多进程”方案，这是什么原因呢？主要原因在于如果采用多进程，子进程完成业务处理后，将结果返回给父进程，并通知父进程发送给哪个client，这是很麻烦的事情。因为父进程只是通过Reactor监听各个连接上的事件然后进行分配，子进程与父进程通信时并不是一个连接。如果要将父进程和子进程之间的通信模拟为一个连接，并加入Reactor进行监听，则是比较复杂的。而采用多线程时，因为多线程是共享数据的，因此线程间通信是非常方便的。虽然要额外考虑线程间共享数据时的同步问题，但这个复杂度比进程间通信的复杂度要低很多。
3.多Reactor多进程/线程
为了解决单Reactor多线程的问题，最直观的方法就是将单Reactor改为多Reactor，这就产生了第3个方案：多Reactor多进程/线程。
多Reactor多进程/线程方案示意图是（以进程为例）：
方案详细说明如下：
-
父进程中mainReactor对象通过select监控连接建立事件，收到事件后通过Acceptor接收，将新的连接分配给某个子进程。
-
子进程的subReactor将mainReactor分配的连接加入连接队列进行监听，并创建一个Handler用于处理连接的各种事件。
-
当有新的事件发生时，subReactor会调用连接对应的Handler（即第2步中创建的Handler）来进行响应。
-
Handler完成read→业务处理→send的完整业务流程。
多Reactor多进程/线程的方案看起来比单Reactor多线程要复杂，但实际实现时反而更加简单，主要原因是：
-
父进程和子进程的职责非常明确，父进程只负责接收新连接，子进程负责完成后续的业务处理。
-
父进程和子进程的交互很简单，父进程只需要把新连接传给子进程，子进程无须返回数据。
-
子进程之间是互相独立的，无须同步共享之类的处理（这里仅限于网络模型相关的select、read、send等无须同步共享，“业务处理”还是有可能需要同步共享的）。
目前著名的开源系统Nginx采用的是多Reactor多进程，采用多Reactor多线程的实现有Memcache和Netty。
我多说一句，Nginx采用的是多Reactor多进程的模式，但方案与标准的多Reactor多进程有差异。具体差异表现为主进程中仅仅创建了监听端口，并没有创建mainReactor来“accept”连接，而是由子进程的Reactor来“accept”连接，通过锁来控制一次只有一个子进程进行“accept”，子进程“accept”新连接后就放到自己的Reactor进行处理，不会再分配给其他子进程，更多细节请查阅相关资料或阅读Nginx源码。
Proactor
Reactor是非阻塞同步网络模型，因为真正的read和send操作都需要用户进程同步操作。这里的“同步”指用户进程在执行read和send这类I/O操作的时候是同步的，如果把I/O操作改为异步就能够进一步提升性能，这就是异步网络模型Proactor。
Proactor中文翻译为“前摄器”比较难理解，与其类似的单词是proactive，含义为“主动的”，因此我们照猫画虎翻译为“主动器”反而更好理解。Reactor可以理解为“来了事件我通知你，你来处理”，而Proactor可以理解为“来了事件我来处理，处理完了我通知你”。这里的“我”就是操作系统内核，“事件”就是有新连接、有数据可读、有数据可写的这些I/O事件，“你”就是我们的程序代码。
Proactor模型示意图是：
详细介绍一下Proactor方案：
-
Proactor Initiator负责创建Proactor和Handler，并将Proactor和Handler都通过Asynchronous Operation Processor注册到内核。
-
Asynchronous Operation Processor负责处理注册请求，并完成I/O操作。
-
Asynchronous Operation Processor完成I/O操作后通知Proactor。
-
Proactor根据不同的事件类型回调不同的Handler进行业务处理。
-
Handler完成业务处理，Handler也可以注册新的Handler到内核进程。
理论上Proactor比Reactor效率要高一些，异步I/O能够充分利用DMA特性，让I/O操作与计算重叠，但要实现真正的异步I/O，操作系统需要做大量的工作。目前Windows下通过IOCP实现了真正的异步I/O，而在Linux系统下的AIO并不完善，因此在Linux下实现高并发网络编程时都是以Reactor模式为主。所以即使Boost.Asio号称实现了Proactor模型，其实它在Windows下采用IOCP，而在Linux下是用Reactor模式（采用epoll）模拟出来的异步模型。
小结
今天我为你讲了单服务器支持高并发的高性能架构模式Reactor和Proactor，希望对你有所帮助。
这就是今天的全部内容，留一道思考题给你吧，针对“前浪微博”消息队列架构的案例，你觉得采用何种并发模式是比较合适的，为什么？
欢迎你把答案写到留言区，和我一起讨论。相信经过深度思考的回答，也会让你对知识的理解更加深刻。（编辑乱入：精彩的留言有机会获得丰厚福利哦！）
精选留言
2018-06-10 08:16:13
2018-06-11 13:14:34
1、假如我们去饭店点餐，饭店人很多，如果我们付了钱后站在收银台等着饭端上来我们才离开，这就成了同步阻塞了。
2、如果我们付了钱后给你一个号就可以离开，饭好了老板会叫号，你过来取。这就是Reactor模型。
3、如果我们付了钱后给我一个号就可以坐到坐位上该干啥干啥，饭好了老板会把饭端上来送给你。这就是Proactor模型了。
2018-06-15 16:55:59
2018-06-09 13:44:24
1、单Reactor单进程/线程
redis采用这种模式，原因是redis是基于内存的数据库，在处理业务会非常快，所以不会对IO读写进行过长时间的阻塞，但是如果redis开启同步持久化后，业务处理会变慢，阻塞了IO线程，也就无法处理更多的连接了，而我们的消息中间件需要消息的高可靠，必定要同步持久化，如果异步的话，就看异步持久化的时间间隔了，假设500ms持久化一次，那就有可能会丢失500ms的消息。当然华仔分析的无法利用多核cpu的特性也是一大缺点；虽然我们要求的TPS不算很高，但是QPS很高了，所以我觉得这种模式不合适
2、单Reactor多进程/线程
这种模式我觉得也不是和合适，虽然真正的业务处理在独立的线程了，IO线程并没有被阻塞，可以处理更多的连接和读写事件。我们的中间件可能不会面对海量的连接数，但是会面对大量的读请求，瓶颈是在处理读操作上，跟单Reactor单进程/线程差别不大；我倒觉得前一讲说的TPC prethread 模式是合适的，有独立的线程负责read-业务处理-send。
3、多Reactor多进程/线程
这种模式是最合适的了，不过华仔在讲解是read→业务处理→send，业务处理还是在IO线程上，如果业务处理的慢，还是会阻塞IO线程的，我觉得最好是业务处理放到独立的线程池里面去，这就变成了mainReactor负责监听连接，subReactor 负责IO读写，后面的业务线程池负责真正的业务处理，这样就既可以面对海量的连接，海量的请求也可以支撑。
不知理解的是否正确？
2018-06-10 16:00:45
2018-06-10 21:17:38
多线程or多进程，实际工作中，基本多线程模型，可以单线程事件检测，多线程分派，也可以多线程轮流事件检测和分派。可以参考leader-follwers pattern。
io模式，一般都使用non-block。
与acceptor-connector模式结合使用，可进一步分离模块职责（即将 服务初始化与 服务逻辑分离. 由reactor统一进行事件驱动）
附一个自己开发的reactor框架
https://github.com/zhaozhencn/cute
2018-06-09 19:13:30
之前学习NIO和AIO的时候是这么描述的：进程请求IO（无论是硬盘还是网络IO），先让内核读取数据到内核缓存，然后从内核缓存读取到进程。这里面就有2个IO等待时间，第一个是读取到内核缓存，第二个是读取到进程。前者花费的时间远远大于后者。在第一个时间中进程不做等待就是NIO，即非阻塞。第二个时间中进程也不需要等待就是AIO，即异步。
第一个问题：文章中说Reactor 是非阻塞同步网络模型，因为真正的 read 和 send 操作都需要用户进程同步操作。这里的read和send指的是我上面说的第二个时间吗？
第二个问题：因为我理解你的“来了事件我来处理，处理完了我通知你”。这里的我来处理就是包括第一和第二个时间吗？
感觉我之前被误解了，是我哪个地方理解不对吗？麻烦解答一下。
2018-06-11 16:05:31
阻塞&非阻塞
这一组概念并偏向于系统底层的实现，常与OS进程调度相关。 以socket为例，在阻塞模式下线程A调用recv函数，若此时接收缓冲区有数据，则立即返回，否则将进入”阻塞状态“（主动释放CPU控制权，由OS CPU调度程序重新调度并运行其它进程），直到”等待条件”为真，再由OS将此进程调度并重新投入运行。非阻塞模式则另辟蹊径，无论有无数据均立即返回（有数据则返回数据，无数据则返回错误值）， 不会影响当前线程的状态。 从某种意义上讲，阻塞模式下，一个线程关联一个文件fd, 常引起线程切换与重新调度，对于高并发环境，这种代价太大。而非阻塞模式则解耦了“1线程关联1文件fd"。
同步&异步
调用与执行的分离即为异步，否则为同步。其实包括两个层面，其一为请求方（客户方），其二为执行方（服务方），抛开这两个概念单独讨论同步或异步是片面的。若请求方调用执行方的服务并等待服务结果，则为同步过程。但对于一些耗时或IO服务，服务执行时间往往较长或不可控，并可能导致降低整体服务质量，此时需要将调用与执行解耦。 有些经典设计模式常用于解决此问题： 1 command（命令模式）-- 将请求封装成命令对象，实现请求方对命令执行的透明化， 2 Active Object（主动对象）-- 对象内部驻留一个线程或线程池，用于执行具体服务，同时，对象对外提供服务接口，供请求方发起调用（可能获得Future对象）。
2018-06-14 14:29:24
2021-06-25 06:26:02
总结:
少连接，多请求 - PPC/TPC
多连接，多请求
- 单Rector 单线程 (无法充分利用内核，需要业务处理迅速)
- 单Rector 多线程 (复杂度较高，应对瞬间高并发能力较差)
- 多Rector 多线程 (复杂度比 单Rector多线程 低，强化应对高并发的能力)
疑问:
1. 多Rector多线程 相比于其他Rector模式的缺点是什么， 既可以充分利用内核，复杂度不错，也有一定应对高并发的能力，岂不是万金油的选择？
2. 多Rector多线程/进程 的模式和PPC/TPC很像，都是在请求连接的时候开始新线程/进程 进行处理，这两者之间有什么区别？
后浪微博的场景会有多连接，多请求(访问量)，并且可能存在高并发的场合， 所以可以采用多Rector多线程(分析错的话希望指点)
2018-08-16 11:33:17
打个比方，我们去点心店吃碗面，首先先得去收银台点单付钱，同步阻塞的情况是：我点了碗辣酱加辣肉面，然后我就在收银台等着，等到面来了，我拿着面去吃了，后面所有的人都无法点单无法下单(即使后面的人点的是已经做好的大排面也不能付钱拿面，老子还没好 你们谁都不许动)，而reactor（同步非阻塞）的情况是我点了碗辣酱加辣肉面，钱付好以后我就拿着号去座位上坐下了，等面好了后，服务员会叫“XXX号，你的面好了，自己来取”（服务员帮你送上来的叫proactor），这里收银台就是reactor或者叫dispatcher，店里会有一个小二定时的轮询去看XXX号的XXX面有没有好，好了以后就通知XXX你可以来拿面了，没好你就等着呗。多reactor就是把收钱 下面 通知的事分成几个人 由不同的人来做
2018-07-16 08:27:04
2018-08-19 22:15:45
2018-12-02 16:29:56
2018-07-14 15:44:08
之前的留言中有一个类比成去餐厅吃饭的例子还是蛮恰当的，肯德基麦当劳里面是reactor模式，需要用户先领个号然后等叫号取餐；海底捞和大多数中餐厅就是paractor模式，下完单后服务员直接将食品送过来。
回到文章中的问题，消息中间件的场景是链接数少请求量大，采用多进程或多线程来处理会比较好，对应单reactor还是多reactor应该都可以。
2018-07-07 22:24:35
redis是使用单reactor单进程模式。缺点是handler在处理某个连接上的业务时，整个进程无法处理其他连接的事件。
但是我做了个测试，在redis里面存放了一个1000w长度的list，然后使用lrange 0 -1全取出来，这会用很久。
这时候我新建个连接，继续其他key的读写操作都是可以的。不是应该阻塞吗？
2018-06-23 10:55:04
2018-06-10 19:21:09
2018-11-14 10:02:37
2018-07-05 16:54:19