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。

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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.