TCP/IP 网络编程 | Reactor事件处理模式

Reactor事件处理模式

一、什么是Reactor模式

1. Reactor概念

Reactor模式是一种基于事件驱动的应用程序组织模型，符合IoC(控制反转)思想：

• 程序不亲自控制IO，而是让Reactor框架进行管理和分发
• 应用程序为各种IO事件注册处理器
• 核心思想：事件驱动 + 单线程 + 非阻塞IO

其核心思想是：

• 单线程事件循环：使用一个线程来处理所有I/O事件
• 事件分离：将事件检测和事件处理分离
• 回调机制：当事件就绪时，调用相应的处理函数

2. 三大组成部分

1. Reactor（反应器）: 主管执行IO处理循环，监听IO事件
2. Handler（处理器）: 响应特定事件的处理程序
3. Synchronous Event Demultiplexer（同步事件分离器）: 如select/poll/epoll

3. 关键组件解析

(1). EventHandler（事件处理器）

class EventHandler {
    virtual void handleRead() {}
    virtual void handleWrite() {}
    virtual void handleError() {}
};

这是策略模式的应用，不同类型的事件有不同的处理策略。

(2). EventLoop（事件循环器）

这是Reactor的核心，负责：

• 使用epoll监控文件描述符
• 分发事件到对应的处理器
• 管理事件处理器的生命周期

(3). Acceptor（接受器）

专门处理新连接的建立，体现了单一职责原则。

4. 工作流程

1. Reactor调用IO系统API (如epoll)监听fd
2. IO事件发生
3. Reactor调用应用注册的Handler处理
4. Handler处理完成后，控制权返回Reactor
5. 循环继续

5. 优势与适用场景

对比：

特性	传统多线程	Reactor模式
线程数量	每连接一线程单线程	处理所有连接
内存消耗	高（每线程~8MB栈）	低
上下文切换	频繁	无
同步问题	复杂（锁、条件变量）	简单
扩展性	受线程数限制	受单机性能限制

优势：

1. 高并发性能：单线程处理大量连接，避免线程切换开销
2. 内存效率：相比多线程模型，内存占用更少
3. 可扩展性：易于添加新的事件类型和处理器

适用场景：

1. 高并发网络服务器
2. I/O密集型应用
3. 需要处理大量短连接的场景

二、epoll概览

详见 TCP/IP 网络编程 | IO多路复用select/poll/epoll
含具体代码

1. epoll介绍

epoll 是Linux上最高效的IO多路处理技术，目前基本可看作select/poll的升级版本。

// 创建epoll实例
int epoll_create1(int flags);

// 控制epoll行为
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
// op: EPOLL_CTL_ADD, EPOLL_CTL_MOD, EPOLL_CTL_DEL

// 等待事件
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

关键API：

• epoll_create：创建epoll对象
• epoll_ctl：将fd注册到epoll对象
• epoll_wait：等待事件发生

epoll_event结构体：

struct epoll_event {
    uint32_t events;    // 事件类型
    epoll_data_t data;  // 用户数据
};

typedef union epoll_data {
    void *ptr;
    int fd;
    uint32_t u32;
    uint64_t u64;
} epoll_data_t;

2. epoll特性

• 支持事件规则：EPOLLIN / EPOLLOUT / EPOLLERR
• 支持 ET (Edge Triggered) 和 LT (Level Triggered)
• 构造事件结构 epoll_event {uint32_t events; void* data;}

2. epoll性能

1. 时间复杂度: O(1) - 与监控的fd数量无关
2. 空间复杂度: O(n) - n为监控的fd数量
3. 内核实现: 红黑树 + 就绪链表

3. ET vs LT模式对比

(1). 边缘触发模式

// 特点：只在状态变化时触发一次
// 优点：性能更高，系统调用更少
// 缺点：必须一次性处理完所有数据

while (true) {
    int n = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        if (events[i].events & EPOLLIN) {
            // 必须循环读取直到EAGAIN
            while (true) {
                char buf[1024];
                int ret = read(events[i].data.fd, buf, 1024);
                if (ret < 0) {
                    if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) {
                        break; // 数据读完了
                    }
                    // 处理错误
                } else if (ret == 0) {
                    // 连接关闭
                    break;
                }
                // 处理数据
            }
        }
    }
}

• 只在状态变化时触发一次
• 需要一次性读取/写入所有数据
• 性能更高，但编程复杂度较大

(2). 水平触发模式（默认）

// 特点：只要条件满足就持续触发
// 优点：编程简单，不容易丢失事件
// 缺点：可能产生多余的系统调用

while (true) {
    int n = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        if (events[i].events & EPOLLIN) {
            // 即使只读取部分数据，下次epoll_wait仍会返回该事件
            char buf[100];
            read(events[i].data.fd, buf, 100);
        }
    }
}

• 只要条件满足就持续触发
• 编程简单，但可能产生多余的系统调用

三、Reactor和epoll结合

Reactor模式体现在Linux中，就是一个主循环用 epoll_wait 加上各类fd的处理器：

• 用 epoll 实现底层 IO事件监听
• 用 Reactor 分离事件和处理逻辑

1. 模型结构

            +------------------+
            |     Reactor      |
            | epoll_wait()、分发 |
            +------------------+
                      |
             +--------+--------+
             |                 |
   +--------v-----+     +------v--------+
   | AcceptHandler|     |  IOHandler    |
    | (接口连接) |         | (读写数据) |
   +--------------+     +---------------+

2. 事件处理流程

1. 主线程创建epoll实例
2. 将listen_fd注册到epoll（EPOLLIN事件）
3. 进入事件循环：epoll_wait()
4. 当有新连接到达：
   • AcceptHandler处理accept()
   • 将新的client_fd注册到epoll（EPOLLIN事件）
5. 当有数据可读：
   • IOHandler处理read()
   • 根据需要修改为EPOLLOUT事件
6. 当可写时：
   • IOHandler处理write()
   • 写完后重新注册EPOLLIN事件
7. 循环继续

四、完整代码示例

1. 核心类设计

EventHandler基类

class EventHandler {
public:
    virtual ~EventHandler() = default;
    virtual void handleRead() {}    // 可读事件处理
    virtual void handleWrite() {}   // 可写事件处理
    virtual void handleError() {}   // 错误事件处理
    virtual int getFd() const = 0;  // 获取文件描述符
};

EventLoop核心实现

class EventLoop {
private:
    int epollFd_;                                           // epoll文件描述符
    std::unordered_map<int, std::shared_ptr<EventHandler>> handlers_; // fd到处理器的映射
    bool running_;                                          // 运行状态
    
public:
    void addEvent(int fd, EventType events, std::shared_ptr<EventHandler> handler);
    void modifyEvent(int fd, EventType events);
    void removeEvent(int fd);
    void run(); // 主事件循环
};

2. 关键实现细节

非阻塞设置

// 将socket设置为非阻塞模式
int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

边缘触发的正确处理

void ConnectionHandler::handleRead() override {
    char buffer[1024];
    ssize_t n = read(fd_, buffer, sizeof(buffer));
    
    if (n > 0) {
        // 处理数据
    } else if (n == 0) {
        // 连接关闭
    } else {
        // n < 0
        if (errno != EAGAIN && errno != EWOULDBLOCK) {
            // 真正的错误
            handleError();
        }
        // EAGAIN表示暂时没有数据，正常情况
    }
}