Reactor 模式详解
Reactor 模式详解
Reactor（反应器模式） 是一种 事件驱动的设计模式，用于处理高并发 I/O 请求，核心思想是 通过事件分发机制，用单线程或多线程高效处理大量连接。它是 Nginx、Redis、Netty 等高性能系统的底层基础。
1. 核心思想
- “非阻塞 I/O + 事件通知”：
- 所有 I/O 操作设置为非阻塞。
- 通过 事件循环（Event Loop） 监听 I/O 事件（如可读、可写），由 Reactor 统一分发到对应的处理器（Handler）。
- 避免线程阻塞：
传统多线程模型中，每个连接需要一个线程，而 Reactor 用少量线程（甚至单线程）处理所有连接。
2. 核心组件
| 组件 | 作用 |
|---|---|
| Reactor | 事件循环核心，监听并分发 I/O 事件（如 select/epoll/kqueue）。 |
| Handler | 事件处理器，处理具体的 I/O 操作（如读取数据、业务逻辑）。 |
| Demultiplexer | 系统级事件监听器（如 Linux 的 epoll），通知 Reactor 哪些事件已就绪。 |
3. 工作流程
- 注册事件：
- 将需要监听的 I/O 事件（如 Socket 可读）注册到 Demultiplexer。
- 事件循环：
- Reactor 调用
epoll_wait()等接口阻塞等待事件就绪。
- Reactor 调用
- 事件分发：
- 当某个 Socket 可读/可写时，Demultiplexer 通知 Reactor。
- 处理事件：
- Reactor 将事件分发给对应的 Handler 执行实际读写或业务逻辑。
+-------------------+ +-------------------+
| Client Socket | <---> | Reactor |
+-------------------+ | (Event Loop) || - epoll_wait() || - Dispatch Events|+--------+----------+|+--------v----------+| Handler || - read()/write()|| - Business Logic|+-------------------+
4. Reactor 的线程模型
根据业务复杂度，Reactor 可分为以下变体：
(1) 单线程模型（Basic Reactor）
- 所有操作在单线程中完成（事件监听、I/O 处理、业务逻辑）。
- 优点：无锁、无上下文切换，极致轻量（如 Redis 单线程）。
- 缺点：若 Handler 处理慢，会阻塞整个事件循环。
- 适用场景：Handler 逻辑简单且快速（如内存操作）。
(2) 多线程 Reactor（Multithreaded Reactor）
- 单 Reactor 线程 + 线程池：
- Reactor 线程仅负责事件监听和分发。
- Handler 的耗时业务逻辑交给线程池处理（避免阻塞事件循环）。
- 优点：充分利用多核 CPU。
- 缺点：线程间共享数据需加锁。
- 示例：早期 Netty 的
OioEventLoop。
(3) 主从 Reactor（Master-Slave Reactor）
- 主 Reactor：负责监听连接事件（如
accept()），分发给 子 Reactor。 - 子 Reactor：负责监听已建立连接的 I/O 事件（如
read()/write()）。 - 优点：职责分离，避免连接建立和数据处理相互阻塞。
- 示例：Netty 的
NioEventLoopGroup、Nginx。
+---------------------+
| Main Reactor | (监听 Accept 事件)
| - 1 个线程 |
+----------+----------+|
+----------v----------+
| Sub Reactors | (监听读写事件)
| - N 个线程 |
+---------------------+
5. 为什么用 Reactor？
对比传统阻塞模型
| 模型 | 线程开销 | 并发能力 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 阻塞式多线程 | 1 连接 = 1 线程 | 低（C10K 问题） | 低并发简单应用 |
| Reactor | 1 线程处理多连接 | 高（单机数万连接） | 高并发 I/O 密集型系统 |
优势
- 高吞吐：通过事件驱动避免线程阻塞。
- 低延迟：快速响应 I/O 事件。
- 可扩展性：通过线程池灵活应对计算密集型任务。
6. 实际应用
(1) Redis
- 单线程 Reactor：所有操作在单线程中串行执行，避免锁竞争。
- 高性能原因：纯内存操作 + 事件驱动。
(2) Netty
- 主从 Reactor + 线程池：
BossGroup（主 Reactor）处理连接。WorkerGroup（子 Reactor）处理 I/O。- 业务逻辑可提交到自定义线程池。
(3) Nginx
- 多 Worker 进程：每个 Worker 是独立的 Reactor，通过
epoll处理连接。
7. 代码示例（简化版 Reactor）
// 基于 Java NIO 的简易 Reactor 实现
public class Reactor implements Runnable {private final Selector selector;private final ServerSocketChannel serverSocket;public Reactor(int port) throws IOException {selector = Selector.open();serverSocket = ServerSocketChannel.open();serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(port));serverSocket.configureBlocking(false);// 注册 Accept 事件到 ReactorSelectionKey sk = serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);sk.attach(new Acceptor()); // 设置处理器}@Overridepublic void run() {try {while (!Thread.interrupted()) {selector.select(); // 阻塞等待事件Set<SelectionKey> selected = selector.selectedKeys();for (SelectionKey key : selected) {dispatch(key); // 分发事件}selected.clear();}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}// 事件分发void dispatch(SelectionKey key) {Runnable handler = (Runnable) key.attachment();if (handler != null) {handler.run(); // 执行处理器}}// 处理 Accept 事件的处理器class Acceptor implements Runnable {@Overridepublic void run() {try {SocketChannel client = serverSocket.accept();if (client != null) {new Handler(selector, client); // 创建 Handler 处理读写}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}
}
8. 总结
- Reactor 本质：事件驱动 + 非阻塞 I/O + 高效事件分发。
- 核心价值：用少量线程处理海量连接，解决 C10K 问题。
- 选择建议：
- 低延迟简单逻辑 → 单线程 Reactor（如 Redis）。
- 高并发复杂业务 → 主从 Reactor + 线程池（如 Netty）。