9.3 高性能网络模式：Reactor 和 Proactor
Reactor 模式：基于面向对象的思想，对 I/O 多路复用作了一层封装，让使用者不用考虑底层网络 API 的细节，只需要关注应用代码的编写。这里的反应指的是「对事件反应」，也就是来了一个事件，Reactor 就有相对应的反应/响应。
Reactor 模式也叫 Dispatcher 模式，即 I/O 多路复用监听事件，收到事件后，根据事件类型分配（Dispatch）给某个进程 / 线程。
Reactor 模式主要由 Reactor 和处理资源池这两个核心部分组成，它俩负责的事情如下：
- Reactor 负责监听和分发事件，事件类型包含连接事件、读写事件；
- 处理资源池负责处理事件，如 read -> 业务逻辑 -> send；
Reactor 模式是灵活多变的，可以应对不同的业务场景，理论上就可以有 4 种方案选择：
- 单 Reactor 单进程 / 线程；
- 单 Reactor 多进程 / 线程；
- 多 Reactor 单进程 / 线程；
- 多 Reactor 多进程 / 线程；
其中，「多 Reactor 单进程 / 线程」实现方案相比「单 Reactor 单进程 / 线程」方案，不仅复杂而且也没有性能优势，因此实际中并没有应用。剩下的 3 个方案都是比较经典的，且都有应用在实际的项目中。
方案具体使用进程还是线程，要看使用的编程语言以及平台有关：
- Java 语言一般使用线程，比如 Netty;
- C 语言使用进程和线程都可以，例如 Nginx 使用的是进程，Memcache 使用的是线程。
Reactor
单 Reactor 单进程 / 线程
一般来说，C 语言实现的是「单 Reactor 单进程」的方案，因为 C 语编写完的程序，运行后就是一个独立的进程，不需要在进程中再创建线程。
而 Java 语言实现的是「单 Reactor 单线程」的方案，因为 Java 程序是跑在 Java 虚拟机这个进程上面的，虚拟机中有很多线程，我们写的 Java 程序只是其中的一个线程而已。
我们来看看「单 Reactor 单进程」的方案示意图：
可以看到进程里有 Reactor、Acceptor、Handler 这三个对象：
- Reactor 对象的作用是监听和分发事件；
- Acceptor 对象的作用是获取连接；
- Handler 对象的作用是处理业务；
对象里的 select、accept、read、send 是系统调用函数，dispatch 和「业务处理」是需要完成的操作，其中 dispatch 是分发事件操作。
接下来，介绍下「单 Reactor 单进程」这个方案：
- Reactor 对象通过 select（也可能是其他的IO多路复用）监听事件，收到事件后通过 dispatch 进行分发，具体分发给 Acceptor 对象还是 Handler 对象，还要看收到的事件类型；
- 如果是连接建立的事件，则交由 Acceptor 对象进行处理，Acceptor 对象会通过 accept 方法 获取连接，并创建一个 Handler 对象来处理后续的响应事件；
- 如果不是连接建立事件，则交由当前连接对应的 Handler 对象来进行响应；
- Handler 对象通过 read -> 业务处理 -> send 的流程来完成完整的业务流程。
单 Reactor 单进程的方案比较简单，但是缺点很明显：
- 第一个缺点，因为只有一个进程，无法充分利用 多核 CPU 的性能；
- 第二个缺点，Handler 对象在业务处理时，整个进程是无法处理其他连接的事件的，如果业务处理耗时比较长，那么就造成响应的延迟；
所以，单 Reactor 单进程的方案不适用计算机密集型的场景，只适用于业务处理非常快速的场景。
Redis 是由 C 语言实现的，它采用的正是「单 Reactor 单进程」的方案，因为 Redis 业务处理主要是在内存中完成，操作的速度是很快的，性能瓶颈不在 CPU 上，所以 Redis 对于命令的处理是单进程的方案。
单 Reactor 多线程 / 多进程
示意图如下：
监听分发步骤和单 Reactor 单线程方案是一样的，接下来的步骤就开始不一样了：
- Handler 对象不再负责业务处理，只负责数据的接收和发送，Handler 对象通过 read 读取到数据后，会将数据发给子线程里的 Processor 对象进行业务处理；
- 子线程里的 Processor 对象就进行业务处理，处理完后，将结果发给主线程中的 Handler 对象，接着由 Handler 通过 send 方法将响应结果发送给 client；
单 Reator 多线程的方案优势在于能够充分利用多核 CPU 的能，那既然引入多线程，那么自然就带来了多线程竞争资源的问题。需要在操作共享资源前加上互斥锁，以保证任意时间里只有一个线程在操作共享资源。
单 Reactor 多进程相比单 Reactor 多线程实现起来很麻烦，主要因为要考虑子进程 <-> 父进程的双向通信，并且父进程还得知道子进程要将数据发送给哪个客户端。
而多线程间可以共享数据，虽然要额外考虑并发问题，但是这远比进程间通信的复杂度低得多，因此实际应用中也看不到单 Reactor 多进程的模式。
另外，「单 Reactor」的模式还有个问题，因为一个 Reactor 对象承担所有事件的监听和响应，而且只在主线程中运行，在面对瞬间高并发的场景时，容易成为性能的瓶颈的地方。
多 Reactor 多进程 / 线程
多 Reactor 多进程 / 线程方案的示意图如下（以线程为例）：
方案详细说明如下：
- 主线程中的 MainReactor 对象通过 select 监控连接建立事件，收到事件后通过 Acceptor 对象中的 accept 获取连接，将新的连接分配给某个子线程；
- 子线程中的 SubReactor 对象将 MainReactor 对象分配的连接加入 select 继续进行监听，并创建一个 Handler 用于处理连接的响应事件。
- 如果有新的事件发生时，SubReactor 对象会调用当前连接对应的 Handler 对象来进行响应。
- Handler 对象通过 read -> 业务处理 -> send 的流程来完成完整的业务流程。
多 Reactor 多线程的方案虽然看起来复杂的，但是实际实现时比单 Reactor 多线程的方案要简单的多，原因如下：
- 主线程和子线程分工明确，主线程只负责接收新连接，子线程负责完成后续的业务处理。
- 主线程和子线程的交互很简单，主线程只需要把新连接传给子线程，子线程无须返回数据，直接就可以在子线程将处理结果发送给客户端。
大名鼎鼎的两个开源软件 Netty 和 Memcache 都采用了「多 Reactor 多线程」的方案。
采用了「多 Reactor 多进程」方案的开源软件是 Nginx，不过方案与标准的多 Reactor 多进程有些差异。
具体差异表现在主进程中仅仅用来初始化 socket，并没有创建 mainReactor 来 accept 连接，而是由子进程的 Reactor 来 accept 连接，通过锁来控制一次只有一个子进程进行 accept（防止出现惊群现象），子进程 accept 新连接后就放到自己的 Reactor 进行处理，不会再分配给其他子进程。
Proactor
前面提到的 Reactor 是非阻塞同步网络模式，而 Proactor 是异步网络模式。
异步 I/O 比同步 I/O 性能更好，因为异步 I/O 在「内核数据准备好」和「数据从内核空间拷贝到用户空间」这两个过程都不用等待。
Proactor 正是采用了异步 I/O 技术，所以被称为异步网络模型。
现在我们再来理解 Reactor 和 Proactor 的区别，就比较清晰了。
- Reactor 是非阻塞同步网络模式，感知的是就绪可读写事件。在每次感知到有事件发生（比如可读就绪事件）后，就需要应用进程主动调用 read 方法来完成数据的读取，也就是要应用进程主动将 socket 接收缓存中的数据读到应用进程内存中，这个过程是同步的，读取完数据后应用进程才能处理数据。
- Proactor 是异步网络模式，感知的是已完成的读写事件。在发起异步读写请求时，需要传入数据缓冲区的地址（用来存放结果数据）等信息，这样系统内核才可以自动帮我们把数据的读写工作完成，这里的读写工作全程由操作系统来做，并不需要像 Reactor 那样还需要应用进程主动发起 read/write 来读写数据，操作系统完成读写工作后，就会通知应用进程直接处理数据。
因此，Reactor 可以理解为「来了事件操作系统通知应用进程，让应用进程来处理」，而 Proactor 可以理解为「来了事件操作系统来处理，处理完再通知应用进程」。这里的「事件」就是有新连接、有数据可读、有数据可写的这些 I/O 事件这里的「处理」包含从驱动读取到内核以及从内核读取到用户空间。
举个实际生活中的例子，Reactor 模式就是快递员在楼下，给你打电话告诉你快递到你家小区了，你需要自己下楼来拿快递。而在 Proactor 模式下，快递员直接将快递送到你家门口，然后通知你。
无论是 Reactor，还是 Proactor，都是一种基于「事件分发」的网络编程模式，区别在于 Reactor 模式是基于「待完成」的 I/O 事件，而 Proactor 模式则是基于「已完成」的 I/O 事件。
接下来，一起看看 Proactor 模式的示意图：
介绍一下 Proactor 模式的工作流程：
- Proactor Initiator 负责创建 Proactor 和 Handler 对象，并将 Proactor 和 Handler 都通过 Asynchronous Operation Processor 注册到内核；
- Asynchronous Operation Processor 负责处理注册请求，并处理 I/O 操作；
- Asynchronous Operation Processor 完成 I/O 操作后通知 Proactor；
- Proactor 根据不同的事件类型回调不同的 Handler 进行业务处理；
- Handler 完成业务处理；
可惜的是，在 Linux 下的异步 I/O 是不完善的， aio 系列函数是由 POSIX 定义的异步操作接口，不是真正的操作系统级别支持的，而是在用户空间模拟出来的异步，并且仅仅支持基于本地文件的 aio 异步操作，网络编程中的 socket 是不支持的，这也使得基于 Linux 的高性能网络程序都是使用 Reactor 方案。
而 Windows 里实现了一套完整的支持 socket 的异步编程接口，这套接口就是 IOCP，是由操作系统级别实现的异步 I/O，真正意义上异步 I/O，因此在 Windows 里实现高性能网络程序可以使用效率更高的 Proactor 方案。