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Java I/O Reactor 模式

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Java NIO 相关类图:





基于NIO的Socket请求处理过程:





Java NIO非堵塞技术实际是采取Reactor模式(反应器模式),或者说是观察者(observer)模式为我们监察I/O端口,如果有内容进来,会自动通知我们,这样,我们就不必开启多个线程死等,从外界看,实现了流畅的I/O读写,不堵塞了。

NIO 有一个主要的类Selector,这个类似一个观察者,只要我们把需要探知的socketchannel告诉Selector,我们接着做别的事情,当有事件发生时,他会通知我们,传回一组SelectionKey,我们读取这些Key,就会获得我们刚刚注册过的socketchannel,然后,我们从这个Channel中读取数据,接着我们可以处理这些数据。

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/进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(文件描述符或socket可读、写),多路复用器返回并将事先注册的相应I/O事件分发到对应的处理器中。

Reactor是一种基于事件驱动的设计模式,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”。
      
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。

在Reactor模式中,有5个关键的参与者:

描述符(handle):由操作系统提供的资源,用于识别每一个事件,如Socket描述符、文件描述符、信号的值等。在Linux中,它用一个整数来表示。事件可以来自外部,如来自客户端的连接请求、数据等。事件也可以来自内部,如信号、定时器事件。

同步事件多路分离器(event demultiplexer):事件的到来是随机的、异步的,无法预知程序何时收到一个客户连接请求或收到一个信号。所以程序要循环等待并处理事件,这就是事件循环。在事件循环中,等待事件一般使用I/O复用技术实现。在linux系统上一般是select、poll、epol_waitl等系统调用,用来等待一个或多个事件的发生。I/O框架库一般将各种I/O复用系统调用封装成统一的接口,称为事件多路分离器。调用者会被阻塞,直到分离器分离的描述符集上有事件发生。

事件处理器(event handler):I/O框架库提供的事件处理器通常是由一个或多个模板函数组成的接口。这些模板函数描述了和应用程序相关的对某个事件的操作,用户需要继承它来实现自己的事件处理器,即具体事件处理器。因此,事件处理器中的回调函数一般声明为虚函数,以支持用户拓展。

具体的事件处理器(concrete event handler):是事件处理器接口的实现。它实现了应用程序提供的某个服务。每个具体的事件处理器总和一个描述符相关。它使用描述符来识别事件、识别应用程序提供的服务。

Reactor 管理器(reactor):定义了一些接口,用于应用程序控制事件调度,以及应用程序注册、删除事件处理器和相关的描述符。它是事件处理器的调度核心。 Reactor管理器使用同步事件分离器来等待事件的发生。一旦事件发生,Reactor管理器先是分离每个事件,然后调度事件处理器,最后调用相关的模 板函数来处理这个事件。




可以看出,是Reactor管理器并不是应用程序负责等待事件、分离事件和调度事件。Reactor并没有被具体的事件处理器调度,而是管理器调度具体的事件处理器,由事件处理器对发生的事件作出处理。应用程序要做的仅仅是实现一个具体的事件处理器,然后把它注册到Reactor管理器中。接下来的工作由管理器来完成:如果有相应的事件发生,Reactor会主动调用具体的事件处理器,由事件处理器对发生的事件作出处理。

反应堆模式可以在软件工程层面,将事件驱动框架分离出具体业务,将不同类型请求之间用OO的思想分离。通常,反应堆不仅使用IO复用处理网络事件驱动,还会实现定时器来处理时间事件的驱动(请求的超时处理或者定时任务的处理)。




这幅图有5点意思:

(1)处理应用时基于OO思想,不同的类型的请求处理间是分离的。例如,A类型请求是用户注册请求,B类型请求是查询用户头像,那么当我们把用户头像新增多种分辨率图片时,更改B类型请求的代码处理逻辑时,完全不涉及A类型请求代码的修改。

(2)应用处理请求的逻辑,与事件分发框架完全分离。什么意思呢?即写应用处理时,不用去管何时调用IO复用,不用去管什么调用epoll_wait,去处理它返回的多个socket连接。应用代码中,只关心如何读取、发送socket上的数据,如何处理业务逻辑。事件分发框架有一个抽象的事件接口,所有的应用必须实现抽象的事件接口,通过这种抽象才把应用与框架进行分离。

(3)反应堆上提供注册、移除事件方法,供应用代码使用,而分发事件方法,通常是循环的调用而已,是否提供给应用代码调用,还是由框架简单粗暴的直接循环使用,这是框架的自由。

(4)IO多路复用也是一个抽象,它可以是具体的select,也可以是epoll,它们只必须提供采集到某一瞬间所有待监控连接中活跃的连接。

(5)定时器也是由反应堆对象使用,它必须至少提供4个方法,包括添加、删除定时器事件,这该由应用代码调用。最近超时时间是需要的,这会被反应堆对象使用,用于确认select或者epoll_wait执行时的阻塞超时时间,防止IO的等待影响了定时事件的处理。遍历也是由反应堆框架使用,用于处理定时事件。













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