本文主要是介绍网络编程中的响应之道：探索 Reactor 和 Proactor 模式，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
前言
让服务器服务多个客户端，那么最直接的方式就是为每一条连接创建线程。而为了避免频繁的创建和销毁线程，可以通过线程池来进行优化，达到「资源复用」。不过，这样又引来一个新的问题，线程怎样才能高效地处理多个连接的业务？答案是：IO多路复用
IO多路复用
当一个连接对应一个线程时，线程一般采用「read -> 业务处理 -> send」的处理流程，如果当前连接没有数据可读，那么线程会阻塞在 read 操作上（ socket 默认情况是阻塞 I/O），由于引入了线程池，那么一个线程要处理多个连接的业务，线程在处理某个连接的 read 操作时，如果遇到没有数据可读，就会发生阻塞，那么线程就没办法继续处理其他连接的业务。
要解决这一个问题，最简单的方式就是将 socket 改成非阻塞，然后线程不断地轮询调用 read 操作来判断是否有数据，这种方式虽然该能够解决阻塞的问题，但是解决的方式比较粗暴，因为轮询是要消耗 CPU 的，而且随着一个 线程处理的连接越多，轮询的效率就会越低。
那有没有办法在只有当连接上有数据的时候，线程才去发起读请求呢？
答案是有的，实现这一技术的就是 I/O 多路复用。
I/O 多路复用技术会用一个系统调用函数来监听我们所有关心的连接，也就说可以在一个监控线程里面监控很多的连接。
有关于IO多路复用的知识可以看这篇文章：理解TCP Socket编程模型和I/0多路复用技术 
https://blog.csdn.net/weixin_73077810/article/details/136379461
Reactor 非阻塞同步网络模式
大佬们基于面向对象的思想，对 I/O 多路复用作了一层封装，让使用者不用考虑底层网络 API 的细节，只需要关注应用代码的编写。大佬们还为这种模式取了个让人第一时间难以理解的名字：Reactor 模式。这里的反应指的是「对事件反应」，也就是来了一个事件，Reactor 就有相对应的反应/响应。
Reactor 模式主要由 Reactor 和处理资源池这两个核心部分组成，它俩负责的事情如下：
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Reactor 负责监听和分发事件，事件类型包含连接事件、读写事件；
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处理资源池负责处理事件，如 read -> 业务逻辑 -> send；
Reactor 模式是灵活多变的，可以应对不同的业务场景，灵活在于：
Reactor 的数量可以只有一个，也可以有多个；
处理资源池可以是单个进程 / 线程，也可以是多个进程 /线程；
将上面的两个因素排列组设一下，理论上就可以有 4 种方案选择：
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单 Reactor 单进程 / 线程；
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单 Reactor 多进程 / 线程；
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多 Reactor 单进程 / 线程；
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多 Reactor 多进程 / 线程；
其中，「多 Reactor 单进程 / 线程」实现方案相比「单 Reactor 单进程 / 线程」方案，不仅复杂而且也没有性能优势，因此实际中并没有应用，PASS掉。剩下的 3 个方案都是比较经典的，且都有应用在实际项目中
方案具体使用进程还是线程，要看使用的编程语言以及平台有关：
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Java 语言一般使用线程，比如 Netty;
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C 语言使用进程和线程都可以，例如 Nginx 使用的是进程，Memcache 使用的是线程。
单 Reactor 单进程 / 线程
一般来说，C 语言实现的是「单 Reactor 单进程」的方案，因为 C 语编写完的程序，运行后就是一个独立的进程，不需要在进程中再创建线程。
而 Java 语言实现的是「单 Reactor 单线程」的方案，因为 Java 程序是跑在 Java 虚拟机这个进程上面的，虚拟机中有很多线程，我们写的 Java 程序只是其中的一个线程而已。
可以看到进程里有 Reactor、Acceptor、Handler 这三个对象：
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Reactor 对象的作用是监听和分发事件；
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Acceptor 对象的作用是获取连接；
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Handler 对象的作用是处理业务；
接下来，介绍下「单 Reactor 单进程」这个方案：
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Reactor 对象通过 select （IO 多路复用接口） 监听事件，收到事件后通过 dispatch 进行分发，具体分发给 Acceptor 对象还是 Handler 对象，还要看收到的事件类型；
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如果是连接建立的事件，则交由 Acceptor 对象进行处理，Acceptor 对象会通过 accept 方法 获取连接，并创建一个 Handler 对象来处理后续的响应事件；
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如果不是连接建立事件， 则交由当前连接对应的 Handler 对象来进行响应；
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Handler 对象通过 read -> 业务处理 -> send 的流程来完成完整的业务流程。
这种方案存在 2 个缺点：
第一个缺点，因为只有一个进程，无法充分利用 多核 CPU 的性能；
第二个缺点，Handler 对象在业务处理时，整个进程是无法处理其他连接的事件的，如果业务处理耗时比较长，那么就造成响应的延迟；
所以，单 Reactor 单进程的方案不适用计算机密集型的场景，只适用于业务处理非常快速的场景。
Redis 是由 C 语言实现的，在 Redis 6.0 版本之前采用的正是「单 Reactor 单进程」的方案，因为 Redis 业务处理主要是在内存中完成，操作的速度是很快的，性能瓶颈不在 CPU 上，所以 Redis 对于命令的处理是单进程的方案。
单 Reactor 多线程 / 多进程
如果要克服「单 Reactor 单线程 / 进程」方案的缺点，那么就需要引入多线程 / 多进程，这样就产生了单 Reactor 多线程 / 多进程的方案。
单 Reactor 多线程的执行前三个步骤和单 Reactor 单线程方案是一样的，接下来的步骤就开始不一样了，Handler 对象有点类似于MVC模式的Controller层了：
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Handler 对象不再负责业务处理，只负责数据的接收和发送，Handler 对象通过 read 读取到数据后，会将数据发给子线程里的 Processor 对象进行业务处理；
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子线程里的 Processor 对象就进行业务处理，处理完后，将结果发给主线程中的 Handler 对象，接着由 Handler 通过 send 方法将响应结果发送给 client；
这种方案存在 2 个缺点：
第一个缺点，要避免多线程由于竞争共享资源而导致数据错乱的问题，就需要在操作共享资源前加互斥锁
第二个缺点，因为一个 Reactor 对象承担所有事件的监听和响应，而且只在主线程中运行，在面对瞬间高并发的场景时，容易成为性能的瓶颈的地方
多 Reactor 多进程 / 线程
要解决「单 Reactor」的问题，就是将「单 Reactor」实现成「多 Reactor」，这样就产生了第 多 Reactor 多进程 / 线程的方案。
方案详细说明如下：
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主线程中的 MainReactor 对象通过 select 监控连接建立事件，收到事件后通过 Acceptor 对象中的 accept 获取连接，将新的连接分配给某个子线程；
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子线程中的 SubReactor 对象将 MainReactor 对象分配的连接加入 select 继续进行监听，并创建一个 Handler 用于处理连接的响应事件。
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如果有新的事件发生时，SubReactor 对象会调用当前连接对应的 Handler 对象来进行响应。
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Handler 对象通过 read -> 业务处理 -> send 的流程来完成完整的业务流程。
多 Reactor 多线程的方案虽然看起来复杂的，但是实际实现时比单 Reactor 多线程的方案要简单的多，原因如下：
主线程和子线程分工明确，主线程只负责接收新连接，子线程负责完成后续的业务处理。
主线程和子线程的交互很简单，主线程只需要把新连接传给子线程，子线程无须返回数据，直接就可以在子线程将处理结果发送给客户端。
大名鼎鼎的两个开源软件 Netty 和 Memcache 都采用了「多 Reactor 多线程」的方案。采用了「多 Reactor 多进程」方案的开源软件是 Nginx
Proactor 异步网络模式
前面提到的 Reactor 是非阻塞同步网络模式，而 Proactor 是异步网络模式。
简单回顾阻塞IO、非阻塞IO、异步IO的区别：
阻塞IO：执行
read，线程会被阻塞，一直等到内核数据准备好，并把数据从内核缓冲区拷贝到应用程序的缓冲区中，当拷贝过程完成，read才会返回。非阻塞IO：read 请求在数据未准备好的情况下立即返回，可以继续往下执行，但要不断轮询监听。
异步IO：相比较于非阻塞IO，异步IO不仅可以立即返回，并且无需轮询监听，当数据拷贝完成后内核会主动发消息通知你来拿
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Reactor 是非阻塞同步网络模式，感知的是就绪可读写事件。在每次感知到有事件发生（比如可读就绪事件）后，就需要应用进程主动调用 read 方法来完成数据的读取，也就是要应用进程主动将 socket 接收缓存中的数据读到应用进程内存中，这个过程是同步的，读取完数据后应用进程才能处理数据。
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Proactor 是异步网络模式， 感知的是已完成的读写事件。在发起异步读写请求时，需要传入数据缓冲区的地址（用来存放结果数据）等信息，这样系统内核才可以自动帮我们把数据的读写工作完成，这里的读写工作全程由操作系统来做，并不需要像 Reactor 那样还需要应用进程主动发起 read/write 来读写数据，操作系统完成读写工作后，就会通知应用进程直接处理数据。
因此，Reactor 可以理解为「来了事件操作系统通知应用进程，让应用进程来处理」，而 Proactor 可以理解为「来了事件操作系统来处理，处理完再通知应用进程」。举个实际生活中的例子，Reactor 模式就是快递员在楼下，给你打电话告诉你快递到你家小区了，你需要自己下楼来拿快递。而在 Proactor 模式下，快递员直接将快递送到你家门口，然后通知你。
这篇关于网络编程中的响应之道：探索 Reactor 和 Proactor 模式的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！
