• 高性能I/O设计模式Reactor和Proactor


       一般地,I/O多路复用机制都依赖于一个事件多路分离器(Event Demultiplexer)。分离器对象可将来自事件源的I/O事件分离出来,并分发到对应的read/write事件处理器(Event Handler)。开发人员预先注册需要处理的事件及其事件处理器(或回调函数);事件分离器负责将请求事件传递给事件处理器。两个与事件分离器有关的模 式是Reactor和Proactor。Reactor模式采用同步IO,而Proactor采用异步IO。
     在Reactor中,事件分离器负责等待文件描述符或socket为读写操作准备就绪,然后将就绪事件传递给对应的处理器,最后由处理器负责完成实际的读写工作。
     而 在Proactor模式中,处理器--或者兼任处理器的事件分离器,只负责发起异步读写操作。IO操作本身由操作系统来完成。传递给操作系统的参数需要包 括用户定义的数据缓冲区地址和数据大小,操作系统才能从中得到写出操作所需数据,或写入从socket读到的数据。事件分离器捕获IO操作完成事件,然后 将事件传递给对应处理器。比如,在windows上,处理器发起一个异步IO操作,再由事件分离器等待IOCompletion事件。典型的异步模式实 现,都建立在操作系统支持异步API的基础之上,我们将这种实现称为“系统级”异步或“真”异步,因为应用程序完全依赖操作系统执行真正的IO工作。
     举个例子,将有助于理解Reactor与Proactor二者的差异,以读操作为例(类操作类似)。
     在Reactor中实现读
     - 注册读就绪事件和相应的事件处理器
     - 事件分离器等待事件
     - 事件到来,激活分离器,分离器调用事件对应的处理器。
     - 事件处理器完成实际的读操作,处理读到的数据,注册新的事件,然后返还控制权。
     与如下Proactor(真异步)中的读过程比较:
     - 处理器发起异步读操作(注意:操作系统必须支持异步IO)。在这种情况下,处理器无视IO就绪事件,它关注的是完成事件。
     - 事件分离器等待操作完成事件
     - 在分离器等待过程中,操作系统利用并行的内核线程执行实际的读操作,并将结果数据存入用户自定义缓冲区,最后通知事件分离器读操作完成。
     - 事件分离器呼唤处理器。
     - 事件处理器处理用户自定义缓冲区中的数据,然后启动一个新的异步操作,并将控制权返回事件分离器。
     
    实践现状 
     由 Douglas Schmidt等人开发的开源C++开发框架ACE,提供了大量与平台无关,支持并发的底层类(线程,互斥量等),且在高抽象层次上,提供了两组不同的类 --ACE Reactor和ACE Proactor的实现。不过,虽然二者都与平台无关,提供的接口却各异。
     ACE Proactor在windows平台上具有更为优异的性能表现,因为windows在操作系统提供了高效的异步API支持(见http://msdn2.microsoft.com/en-us/library/aa365198.aspx)。
     然 而,并非所有的操作系统都在系统级大力支持异步。像很多Unix系统就没做到。因此,在Unix上,选择ACE Reactor解决方案可能更好。但这样一来,为了获得最好的性能,网络应用的开发人员必须为不同的操作系统维护多份代码:windows上以ACE Proactor为基础,而Unix系统上则采用ACE Reactor解决方案。
     
    改进方案
      在这部分,我们将尝试应对为Proactor和Reactor模式建立可移植框架的挑战。在改进方案中,我们将Reactor原来位于事件处理器内的 read/write操作移至分离器(不妨将这个思路称为“模拟异步”),以此寻求将Reactor多路同步IO转化为模拟异步IO。以读操作为例子,改 进过程如下:
      - 注册读就绪事件及其处理器,并为分离器提供数据缓冲区地址,需要读取数据量等信息。
      - 分离器等待事件(如在select()上等待)
      - 事件到来,激活分离器。分离器执行一个非阻塞读操作(它有完成这个操作所需的全部信息),最后调用对应处理器。
      - 事件处理器处理用户自定义缓冲区的数据,注册新的事件(当然同样要给出数据缓冲区地址,需要读取的数据量等信息),最后将控制权返还分离器。
      如我们所见,通过对多路IO模式功能结构的改造,可将Reactor转化为Proactor模式。改造前后,模型实际完成的工作量没有增加,只不过参与者间对工作职责稍加调换。没有工作量的改变,自然不会造成性能的削弱。对如下各步骤的比较,可以证明工作量的恒定:
      标准/典型的Reactor:
      - 步骤1:等待事件到来(Reactor负责)
      - 步骤2:将读就绪事件分发给用户定义的处理器(Reactor负责)
      - 步骤3:读数据(用户处理器负责)
      - 步骤4:处理数据(用户处理器负责)
      改进实现的模拟Proactor:
      - 步骤1:等待事件到来(Proactor负责)
      - 步骤2:得到读就绪事件,执行读数据(现在由Proactor负责)
      - 步骤3:将读完成事件分发给用户处理器(Proactor负责)
      - 步骤4:处理数据(用户处理器负责) 
     
      对于不提供异步IO API的操作系统来说,这种办法可以隐藏socket API的交互细节,从而对外暴露一个完整的异步接口。借此,我们就可以进一步构建完全可移植的,平台无关的,有通用对外接口的解决方案。
       
     上述方案已经由Terabit P/L公司(http://www.terabit.com.au/)实现为TProactor。它有两个版本:C++和JAVA的。C++版本采用ACE跨平台底层类开发,为所有平台提供了通用统一的主动式异步接口。
      Boost.Asio库,也是采取了类似的这种方案来实现统一的IO异步接口。

    <-----------

    最近在项目中使用了Boost.Asio类库,其就是以Proactor这种设计模式来实现,参见:Proactor(The Boost.Asio library is based on the Proactor pattern. This design note outlines the advantages and disadvantages of this approach.),其设计文档链接:http://asio.sourceforge.net/boost_asio_0_3_7/libs/asio/doc/design/index.html

    First, let us examine how the Proactor design pattern is implemented in asio, without reference to platform-specific details.

    Boost.Asio的Proactor模式实现图示

    Proactor design pattern (adapted from [1])

    当然这两I/O设计模式,也在ACE中被大量应用,这在ACE的相关书籍中都有介绍,其中在“ACE开发者”网站中有很多不错的介绍文章。

    如:ACE技术论文集-第8章 前摄器(Proactor):用于为异步事件多路分离和分派处理器的对象行为模式

    ACE技术论文集-第7章 ACE反应堆(Reactor)的设计和使用:用于事件多路分离的面向对象构架

    ACE程序员教程-第6章 反应堆(Reactor):用于事件多路分离和分派的体系结构模式

    ACE应用-第2章 JAWS:高性能Web服务器构架

    Proactor模式在单CPU单核系统应用中有着无可比拟的优势,现在面临的问题是:在多CPU多核的系统中,它如何更好地应用多线程的优势呢???这是很值思考和实践的,也许会产生另外一种设计模式来适应发展的需要啦。

  • 相关阅读:
    一本通课后练习 / 高手训练
    毒瘤 dp 题做题记录
    埃及分数
    CF340E Iahub and Permutations
    NOI2020 SDOI 爆零记
    Codeforces *1400-1600 做题记录
    Codeforces Round #636 (Div 3) 题解
    Codeforces Round #634 (Div 3) 题解
    洛谷 P4231 三步必杀
    【洛谷】【线段树+位运算】P2574 XOR的艺术
  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/starhu/p/5382061.html
Copyright © 2020-2023  润新知