一、Reactor网络模型简介
什么是并发：网络并发，通俗的讲就是服务器可以承载的客户端数量，即服务器可以稳定保证客户端同时接入的数量。
Reactor模型开发效率比直接使用IO多路复用要高，它一般是单线程的，设计目标是希望一个线程使用CPU的全部资源；带来的优点是，在每个事件处理中很多时候不需要考虑共享资源的互斥访问。
Reactor模式是处理并发IO比较常见的模式，用于同步IO，核心思想是将所有要处理的IO事件注册到一个中心IO多路复用器上，同时主线程或进程阻塞在IO多路复用器上；一旦有事件到来或准备就绪，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。
二、Reactor的优点
1、响应快；不必为单个同步事件阻塞，虽然Reactor本身依然是同步的。 2、编程相对简单；可以最大程度的避免复杂的多线程及同步问题，尽可能的避免多线程、多进程的切换开销。 3、可扩展性；可通过增加Reactor实例个数，充分利用CPU资源。 4、高复用性；Reactor模型本身与事件处理逻辑无关，具有很高的复用性。
三、实现过程
step 1：定义Reactor模型相关结构体
reactor数据结构设计图如下：
图片结构说明：以fd作为索引，存放在block中；当一个fd到来时，通过fd/MAX先找到fd对应的block号，再通过fd%MAX找到对应的偏移地址。例如来了个fd=10000，每个块存放的最大item数量MAX=1024，那么fd对应的block序号等于10000/1024=9；偏移量等于1000024=784。这样就可以找到fd对应的数据存放地址item。
数据结构的代码实现如下：
代码语言：javascript复制struct ntyevnt{
int fd;//事件fd
char buffer[BUFFER_LENGTH];//缓冲区
int length;//缓存长度
int status;//状态
int events;//事件
void *arg;//callback的参数
int(*callback)(int fd, int events, void* arg);//回调函数
};
struct eventblock{
struct *sock_items;//事件集合
struct eventblock *next;//指向下一个内存块
};
struct reactor{
int epfd;//epoll的文件描述符
int blkcnt;//事件块的数量
struct eventblock *evtblk;//事件块的起始地址
};step 2：实现Reactor容器初始化功能
我们这里使用epoll作为IO多路复用器。 思路：初始化reactor内存块，避免脏数据；创建events和block并初始化，将events添加到block中，将block添加到reactor的链表中管理。
代码语言：javascript复制int ntyreactor_init(struct ntyreactor *reactor)
{
if (reactor == NULL)
return -1;
memset(reactor, 0, sizeof(struct ntyreactor));
//创建epoll，作为IO多路复用器
reactor->epfd = epoll_create(1);
if (reactor->epfd <= 0)
{
printf("create epfd in %s error %sn", __func__, strerror(errno));
return -2;
}
// 创建事件集
struct ntyevnt *events = (struct ntyevnt *)malloc(MAX_EPOLL_EVENTS * sizeof(struct ntyevnt));
if (events == NULL)
{
printf("create ntyevnt in %s error %sn", __func__, strerror(errno));
close(reactor->epfd);
return -3;
}
memset(events, 0, (MAX_EPOLL_EVENTS) * sizeof(struct ntyevent));
//创建事件内存块
struct eventblock *block = (struct eventblock*)malloc(sizeof(struct eventblock));
if (block == NULL)
{
printf("create eventblock in %s error %sn", __func__, strerror(errno));
free(events);
close(reactor->epfd);
return -4;
}
block->events = events;
block->next = NULL;
// reactor初始化赋值
reactor->evblks=block;
reactor->blkcnt = 1;
return 0;
}step 3：实现socket初始化功能
定义成一个函数，方便初始化多个监听端口。
代码语言：javascript复制int init_sock(short port)
{
int ret = 0;
int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//创建套字接
if (fd == -1)
{
printf("create socket in %s error %sn", __func__, strerror(errno));
return -1;
}
ret=fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);//设置非阻塞
if (ret == -1)
{
printf("fcntl O_NONBLOCK in %s error %sn", __func__, strerror(errno));
return -1;
}
// 设置属性
struct sockaddr_in server_addr;
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;// IPV4
server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
server_addr.sin_port = htons(port);
// 绑定
ret = bind(fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
if (ret == -1)
{
printf("bind() in %s error %sn", __func__, strerror(errno));
return -1;
}
//监听
ret = listen(fd, 20);
if (ret < 0)
{
printf("listen failed : %sn", strerror(errno));
return -1;
}
printf("listen server port : %dn", port);
return fd;
}step 4：实现Reactor动态扩容功能
为了实现高并发，服务器需要监听多个端口。当高并发时需要reactor容器进行扩容管理。 核心思路：找到链表的末端，分别为events和block分配内存并初始化，将events添加到block中，将block添加到reactor的链表中管理。
代码语言：javascript复制int ntyreactor_alloc(struct ntyreactor *reactor)
{
if (reactor == NULL)
return -1;
if (reactor->evblks == NULL)
return -1;
//找到链表末端
struct eventblock *blk = reactor->evblks;
while (blk->next != NULL)
blk = blk->next;
// 创建事件集
struct ntyevent *evs = (struct ntyevent*)malloc((MAX_EPOLL_EVENTS) * sizeof(struct ntyevent));
if (evs == NULL)
{
printf("ntyreactor_alloc ntyevent failedn");
return -2;
}
memset(evs, 0, (MAX_EPOLL_EVENTS) * sizeof(struct ntyevent));
// 创建事件块
struct eventblock *block = (struct eventblock*)malloc(sizeof(struct eventblock));
if (block == NULL)
{
printf("ntyreactor_alloc eventblock failedn");
return -3;
}
block->events = evs;
block->next = NULL;
//实现扩容
blk->next = block;
reactor->blkcnt ;
return 0;
}step 5：实现Reactor索引功能
思路：通过fd/MAX先找到fd对应的block号，再通过fd%MAX找到对应的偏移地址。 例如来了个fd=10000，每个块存放的最大item数量MAX=1024，那么fd对应的block序号等于10000/1024=9；偏移量等于1000024=784。这样就可以找到fd对应的数据存放地址item。
代码语言：javascript复制struct ntyevent *ntyreactor_idx(struct ntyreactor *reactor, int sockfd)
{
if (reactor == NULL)
return NULL;
if (reactor->evblks == NULL)
return NULL;
// fd所在block序号
int blkidx = sockfd / MAX_EPOLL_EVENTS;
while (blkidx >= reactor->blkcnt)
{
// 扩容
ntyreactor_alloc(reactor);
}
//找到fd对应block的位置
int i = 0;
struct eventblock *blk = reactor->evblks;
while (i != blkidx && blk != NULL)
{
blk = blk->next;
}
// 返回item 地址
return &blk->events[sockfd%MAX_EPOLL_EVENTS];
}step 6：实现设置事件信息功能
将事件的相关信息保存到数据结构中。主要实现填充关键信息到event结构体中。
代码语言：javascript复制void nty_event_set(struct ntyevent *ev,int fd,NCALLBACK callback,void *arg)
{
ev->fd = fd;
ev->events = 0;
ev->callback = callback;
ev->arg = arg;
}step 7：实现IO事件监听功能
这里使用epoll作为IO多路复用器，将事件添加到epoll中监听。 思路：主要是epoll_ctl操作，将事件添加到reactor的event结构体中。
代码语言：javascript复制int nty_event_add(int epfd, int events, struct ntyevent *ev)
{
// 设置epoll事件信息
struct epoll_event ep_ev = {
0,{
0} };
ep_ev.data.ptr = ev;
ep_ev.events = ev->events = events;
// 判断，设置epfd的操作模式
int op;
if (ev->status == 1)
op = EPOLL_CTL_MOD;
else
{
op = EPOLL_CTL_ADD;
ev->status = 1;
}
// 设置epoll
int ret = epoll_ctl(epfd, op, ev->fd, &ep_ev);
if (ret < 0)
{
printf("event add failed [fd=%d], events[%d],ret:%dn", ev->fd, events,ret);
printf("event add failed in %s error %sn", __func__, strerror(errno));
return -1;
}
return 0;
}step 8：实现IO事件移除功能
由于设置了非阻塞模式，当事件到来时，需要暂时移除监听，避免干扰。
代码语言：javascript复制int nty_event_del(int epfd, struct ntyevent *event)
{
if (event->status != 1)
return -1;
struct epoll_event ep_ev = {
0,{
0} };
ep_ev.data.ptr = event;
event->status = 0;
// 移除fd的监听
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTR_DEL, &ep_ev);
return 0;
}step 9：实现Reactor事件监听功能
思路：设置fd的事件信息，添加事件到epoll监听。
代码语言：javascript复制int ntyreactor_addlistener(struct ntyreactor *reactor,int sockfd,NCALLBACK *acceptor)
{
if (reactor == NULL)
return -1;
if (reactor->evblks == NULL)
return -1;
// 找到fd对应的event地址
struct ntyevent *event = ntyreactor_idx(reactor, sockfd);
if (event == NULL)
return -1;
// 设置fd的事件信息
nty_event_set(event, sockfd, acceptor, reactor);
// 添加事件到epoll监听
nty_event_add(reactor->epfd, EPOLLIN, event);
return 0;
}step 10：实现recv回调函数
思路：找到fd对应的信息内存块；使用recv接收数据；暂时移除该事件的监听；如果接收成功，设置监听事件为是否可写，添加到IO多路复用器（epoll）中；返回收到的数据长度。
代码语言：javascript复制int recv_cb(int fd, int events, void *arg)
{
struct ntyreactor *reactor = (struct ntyreactor *)arg;
if (reactor == NULL)
return -1;
// 找到fd对应的event地址
struct ntyevent *event = ntyreactor_idx(reactor, fd);
if (event == NULL)
return -1;
// 接收数据
int len = recv(fd, event->buffer, BUFFER_LENGTH, 0);
// 暂时移除监听
nty_event_del(reactor->epfd, event);
if (len > 0)
{
event->length = len;
event->buffer[len] = ' ';
printf("recv [%d]:%sn", fd, event->buffer);
//设置fd的事件信息
nty_event_set(event, fd, send_cb, reactor);
// 添加事件到epoll监听
nty_event_add(reactor->epfd, EPOLLOUT, event);
}
else if (len == 0)
{
nty_event_del(reactor->epfd, event);
printf("recv_cb --> disconnectn");
close(event->fd);
}
else {
if (errno == EAGAIN && errno == EWOULDBLOCK) {
//
}
else if (errno == ECONNRESET) {
nty_event_del(reactor->epfd, event);
close(event->fd);
}
printf("recv[fd=%d] error[%d]:%sn", fd, errno, strerror(errno));
}
return len;
}step 11：实现send回调函数
思路：找到fd对应的信息内存块；使用send发送数据；暂时移除该事件的监听；如果发送成功，设置监听事件为是否可读，添加到IO多路复用器（epoll）中；返回发送的数据长度。
代码语言：javascript复制int send_cb(int fd, int events, void *arg)
{
struct ntyreactor *reactor = (struct ntyreactor*)arg;
if (reactor == NULL)
{
return -1;
}
// 查找fd对应的信息存放内存块
struct ntyevent *ev = ntyreactor_idx(reactor, fd);
if (ev == NULL)
return -1;
int len = send(fd, ev->buffer, BUFFER_LENGTH, 0);
// 暂时移除监听
nty_event_del(reactor->epfd, ev);
if (len > 0)
{
printf("send[fd=%d], [%d]%sn", fd, len, ev->buffer);
nty_event_set(ev, fd, recv_cb, reactor);
nty_event_add(reactor->epfd, EPOLLIN, ev);
}
else
{
close(ev->fd);
printf("send[fd=%d] error %sn", fd, strerror(errno));
}
return len;
}step 12：实现accept回调函数
思路：使用accept获得连接的客户端fd；设置客户端fd为非阻塞模式；找到fd对应的信息内存块；设置fd的事件信息；设置监听事件为是否可读，添加到IO多路复用器（epoll）中。
代码语言：javascript复制int accept_cb(int fd, int events, void *arg)
{
struct ntyreactor *reactor = (struct ntyreactor *)arg;
if (reactor == NULL)
return -1;
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t len = sizeof(client_addr);
int client_fd = accept(fd,(struct sockaddr*)&client_addr,&len);
if (client_fd == -1)
{
printf("accept: %sn", strerror(errno));
return -1;
}
int flag = fcntl(client_fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
if ((flag = fcntl(client_fd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0) {
printf("%s: fcntl nonblocking failed, %dn", __func__, MAX_EPOLL_EVENTS);
return -1;
}
// 找到fd对应的event地址
struct ntyevent *event = ntyreactor_idx(reactor, client_fd);
if (event == NULL)
return -1;
// 设置fd的事件信息
nty_event_set(event, client_fd, recv_cb, reactor);
// 添加事件到epoll监听
nty_event_add(reactor->epfd, EPOLLIN, event);
printf("new connect [%s:%d], pos[%d]n",
inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port), client_fd);
return 0;
}step 13：实现reactor运行函数
主要是epoll的等待功能，将监听到的事件进行回调处理。
代码语言：javascript复制int ntyreactor_run(struct ntyreactor *reactor)
{
if (reactor == NULL)
return -1;
if (reactor->epfd < 0)
return -1;
if (reactor->evblks == NULL)
return -1;
struct epoll_event events[MAX_EPOLL_EVENTS 1];
int i;
while (1)
{
// epoll监听客户端接入
int nready = epoll_wait(reactor->epfd, events, MAX_EPOLL_EVENTS, 1000);
if (nready < 0)
{
printf("epoll wait errorn");
continue;
}
for (i = 0; i < nready; i )
{
struct ntyevent *ev = (struct ntyevent *)events[i].data.ptr;
if ((events[i].events &EPOLLIN) && (ev->events &EPOLLIN))
{
// 处理可读事件
ev->callback(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
}
if ((events[i].events &EPOLLOUT) && (ev->events &EPOLLOUT))
{
//处理可写事件
ev->callback(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
}
}
}
}step 14：实现reactor销毁功能
代码语言：javascript复制int ntyreactor_destory(struct ntyreactor *reactor)
{
// 关闭epoll
close(reactor->epfd);
struct eventblock *blk= reactor->evblks;
struct eventblock *next;
while (blk != NULL)
{
next = blk->next;
// 释放内存块
free(blk->events);
free(blk);
blk = next;
}
return 0;
}简单使用示例
代码语言：javascript复制int main(int argc,char* argv[])
{
// 创建reactor对象
struct ntyreactor *reactor = (struct ntyreactor*)malloc(sizeof(struct ntyreactor));
// 初始化reactor容器
ntyreactor_init(reactor);
// 定义监控的socket开始端口
unsigned short port = SERVER_PORT;
if (argc == 2)
{
port = atoi(argv[1]);
}
// 初始化套字接和监听端口列表
int i = 0;
int sockfds[PORT_COUNT] = {
0 };
for(i=0;i<PORT_COUNT;i )
{
// 初始化socket端口
sockfds[i] = init_sock(port i);
// 添加事件监听
ntyreactor_addlistener(reactor, sockfds[i], accept_cb);
}
// reactor运行，主要是epoll的循环监听
ntyreactor_run(reactor);
// 销毁 reactor
ntyreactor_destory(reactor);
// 关闭socket集
for (i = 0; i < PORT_COUNT; i )
{
close(sockfds[i]);
}
// 释放reactor
free(reactor);
return 0;
}四、总结
1、创建一个reactor对象，分配内存。 2、Reactor容器初始化： （1）创建IO多路复用器epoll，将文件描述符epfd保存到reactor容器中； （2）创建一个事件集合MAX_EPOLL_EVENTS * sizeof(struct events)； （3）创建一个管理模块，用于管理（2）中创建的事件集合。这是一个链表，一个指针指向（2）中创建的事件集合，一个指针指向下一个块（block）； （4）将事件集合添加到管理模块（block）中进管理； （5）将管理模块（block）保存到reactor容器，同时reactor的管理模块（block）置为1； （6）注意：如果申请内存使用malloc函数，最好使用memset将内存块初始化，避免脏数据。 3、soket初始化： （1）创建一个监听socket fd，socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); （2）设置socket fd为非阻塞模式，fcntl(fd,SETFL,O_NONBLOCK)； （3）配置socket属性，主要是struct sockaddr_in结构体的sin_family、sin_addr.s_addr、sin_port； （4）bind()； （5）listen()； 4、事件监听 （1）以fd为key找到对应的管理块序号和偏移地址； （2）设置事件信息； （3）添加监听事件：是否可读。 5、reactor主循环（mainloop），主要是epoll的循环监听，处理事件到相关回调函数。 （1）事件监听，epoll_wait； （2）回调函数recv，处理可读事件（EPOLLIN）； （3）回调函数send，处理可写事件（EPOLLOUT）。 6、销毁reactor，注意是事件集内存块的释放和链表的内存释放。 7、close监听端口socket fd。 8、释放reactor内存。
