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用 epoll 实现的 Reactor 模式详解（含代码逐块讲解）

news 2025/9/6 6:21:28

在高并发网络编程中，如何高效地处理大量连接是一个核心问题。传统的阻塞 I/O 或者“一连接一线程”的模型，在线程数和上下文切换上会造成巨大的开销。为了解决这些问题，Reactor 模式应运而生，它结合了 I/O 复用技术（如 epoll），成为构建高性能服务器的常见架构。

本文将从 Reactor 原理 入手，结合一段基于 epoll 的 C 语言实现代码，详细讲解 Reactor 是如何工作的。

一、Reactor 模式原理

Reactor 模式可以理解为一个 事件驱动模型，它的核心思想是：

将 I/O 事件（如连接请求、数据可读、可写）交给内核去监听；
一旦有事件发生，内核会通知 Reactor；
Reactor 再分发事件给对应的处理函数（回调）。

通俗点说：

Reactor 就像“事件总线”，它负责把 事件（事件分发） 和 事件处理（回调函数） 解耦。
程序员只需要关注“当某个事件发生时我要干什么”。

对比：

阻塞 I/O：线程被阻塞在 accept/recv 上，浪费资源。
多线程：一个连接一个线程，线程切换开销大。
Reactor + epoll：少量线程监听所有事件，事件就绪时再分发处理。

二、代码实现思路

代码整体分为以下几个模块：

连接对象结构体（conn_list）：保存 fd、读写缓冲区、回调函数。
事件注册函数（set_event/event_register）：负责向 epoll 注册、修改事件。
accept 回调（accept_cb）：处理新客户端的连接。
recv 回调（recv_cb）：处理客户端发来的数据。
send 回调（send_cb）：向客户端发送数据。
主循环（main + epoll_wait）：Reactor 的核心，监听并分发事件。

三、代码分块详解

1) 连接上下文结构体 `struct conn`

struct conn{int fd;char rbuffer[BUFFER_LENGTH];int rlength;char wbuffer[BUFFER_LENGTH];int wlength;RCALLBACK send_callback;union{RCALLBACK recv_callback;RCALLBACK accept_callback;} r_action;
};

每个连接（index 用 fd）维护一个结构：读取缓冲区 rbuffer + 长度 rlength、写缓冲区 wbuffer + 长度 wlength。
r_action.recv_callback：当该 fd 可读时调用的函数（对监听 socket 这位置复用为 accept_cb）。
send_callback：当该 fd 可写时调用的函数（send_cb）。
这样的设计方便事件分派：在 epoll_wait 中直接用 conn_list[fd].r_action.recv_callback(connfd); 调用对应 handler。

2) `init_server(port)` —— socket 初始化

int init_server(unsigned short port){int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// bind、listenreturn sockfd;
}

标准服务器初始化：socket → bind → listen。

3) `set_event(fd, event, flag)` —— 封装 epoll_ctl

int set_event(int fd, int event, int flag){if(flag){ // addstruct epoll_event ev;ev.events = event;ev.data.fd = fd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev);}else{ // modstruct epoll_event ev;ev.events = event;ev.data.fd = fd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev);}
}

flag != 0 → EPOLL_CTL_ADD（新增）；flag == 0 → EPOLL_CTL_MOD（修改）。
ev.data.fd = fd：回传 fd，主循环用来定位 conn_list。

4) `event_register(fd, event)` —— 初始化 conn_list 并 ADD

int event_register(int fd, int event){
conn_list[fd].fd = fd;
conn_list[fd].r_action.recv_callback = recv_cb;
conn_list[fd].send_callback = send_cb;memset(conn_list[fd].rbuffer, 0, BUFFER_LENGTH);
conn_list[fd].rlength = 0;memset(conn_list[fd].wbuffer, 0, BUFFER_LENGTH);
conn_list[fd].wlength = 0;set_event(fd, event, 1);
}

初始化一个连接对象（清空读写缓冲区）；
设置回调函数；
注册到 epoll。

5) `accept_cb(fd)` —— 新连接处理

int accept_cb(int fd){
struct sockaddr_in clientaddr;
socklen_t len = sizeof(clientaddr);int clientfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
printf("accept finished: %d\n", clientfd);event_register(clientfd, EPOLLIN);
return 0;
}

当监听 socket 可读时，说明有新连接到来；
调用 accept 获取新客户端 fd；
使用 event_register 注册该客户端，关注 EPOLLIN（读事件）。

6) `recv_cb(fd)` —— 读回调（核心逻辑）

int recv_cb(int fd){int count = recv(fd, conn_list[fd].rbuffer, BUFFER_LENGTH, 0);if(count == 0){ // 客户端断开close(fd);epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);return 0;}conn_list[fd].rlength = count;// echo: 拷贝到 wbufferconn_list[fd].wlength = conn_list[fd].rlength;memcpy(conn_list[fd].wbuffer, conn_list[fd].rbuffer, conn_list[fd].wlength);set_event(fd, EPOLLOUT, 0); // 切换为可写监听return count;
}

从客户端读数据，存到 rbuffer；
如果 count==0，说明客户端断开，关闭连接；
否则将数据复制到写缓冲区；
把收到的数据长度写入 rlength，并拷贝到 wbuffer，设置 wlength —— 因为后续 send_cb 会使用这些字段发送回去。
最后通过 set_event(fd, EPOLLOUT, 0) 修改该 fd 在 epoll 中关注为可写事件，以便下一轮 epoll_wait 返回时触发写回调。

7) `send_cb(fd)` —— 写回调

int send_cb(int fd){int count = send(fd, conn_list[fd].wbuffer, conn_list[fd].wlength, 0);set_event(fd, EPOLLIN, 0);return count;
}

把 wbuffer 的 wlength 字节发送出去（注意：send 可能返回已发送字节数 < wlength，需要处理短写并保存未发送的数据）。
发送完成后修改监听为 EPOLLIN，回到读等待。

8) `main` 主循环：注册监听 socket 并 dispatch

int sockfd = init_server(port);
epfd = epoll_create(1);// 初始化监听 socket 的 conn_list，绑定 accept_cb
conn_list[sockfd].fd = sockfd;
conn_list[sockfd].r_action.recv_callback = accept_cb;
set_event(sockfd, EPOLLIN, 1);while(1){struct epoll_event events[1024] = {0};int nready = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1);for(i=0;i<nready;i++){int connfd = events[i].data.fd;if(events[i].events & EPOLLIN){conn_list[connfd].r_action.recv_callback(connfd);}if(events[i].events & EPOLLOUT){conn_list[connfd].send_callback(connfd);}}
}