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快速入门Socket编程——封装一套便捷的Socket编程——Reactor 设计模式

​ 我们下面来聊一聊基于Epoll的Reactor 设计模式，这里构成了笔者设计的核心思路。

​ 我们可以直到Reactor 模式是一种典型的 事件驱动（Event-Driven）设计模式。我们一次性的监听多个 I/O 句柄的事件（可读、可写、异常）。这实际上是一种I/O 多路复用机制

I/O 多路复用机制（如 select、poll、epoll）:一个进程或线程可以同时监视多个文件描述符（File Descriptor, FD），并在其中任何一个文件描述符就绪（ready for I/O）时，得到通知并进行相应的操作，而无需阻塞在单个 I/O 操作上。

​ 当我们监听到了事件的来源的时候，我们就会Reactor 分发（dispatch）事件到对应的 Handler（事件处理器）。

一句话理解：

Reactor 模式中，应用程序主动从内核查询事件，然后调用回调函数处理。

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Reactor 模式的角色

1. Reactor（事件分发器）
   • 负责监听事件并分发给对应的 Handler。
2. Handle（句柄）
   • I/O 资源，如 socket_fd。
3. Event Handler（事件处理器）
   • 负责响应某个 I/O 事件的回调函数

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Reactor 的典型工作流程

​ 在笔者之后全面的介绍代码的时候，会详细的说明，这里给出一个片段：

void LinuxServerSocket::start_workloop(const ServerWorkers& worker) {internal_worker = worker;std::vector<epoll_event> events(max_epoll_contains);while (!shell_terminate) {int nfds = epoll_wait(epfd, events.data(), max_epoll_contains, -1);for (int i = 0; i < nfds; ++i) {int current_fd = events[i].data.fd;if (current_fd == socket_fd) {handle_new_connections(); // 新连接 -> accept_callback} else {react_clients(current_fd); // 数据 -> receiving_callback}}}
}

​ 这里就是一个经典的Reactor设计模式代码的流程：

1. 注册事件：Reactor 注册 socket 和其关注的事件（如 EPOLLIN）。
2. 等待事件：调用 epoll_wait()（或 select/poll）。
3. 事件分发：将就绪事件分发给对应的事件处理器。
4. 执行回调：事件处理器完成业务逻辑。

​ 在上面这里的 epoll_wait() 是 Synchronous Event Demultiplexer（同步事件分发器），accept_callback 和 receiving_callback 是事件处理器。

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1.4 Reactor 的特点

• 被动反应：Reactor 是“被动”的，只能处理已就绪的事件。
• 同步 I/O：内核只负责通知“可读/可写”，真正的 read()/write() 由应用程序完成。
• 适合高并发 I/O：结合 epoll，可以处理成千上万的连接。

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补充：Proactor 设计模式

Proactor 的定义

• Proactor 模式是一种异步非阻塞 I/O 模型。它的核心思想是：当 I/O 操作完成后，才通知应用程序，并把操作结果（包括读取的数据或写入的字节数）一并传递给应用程序。

  可以把 Proactor 模式想象成一个“送餐上门系统”：

  1. 你（应用程序） 去餐厅点餐并付款。
  2. 老板（操作系统） 告诉你：“饭好了会给你送过来。”
  3. 你在座位上（应用程序继续做其他事情） 不用管。
  4. 饭好了，服务员把餐端到你面前（I/O 操作完成，操作系统通知应用程序并传递结果）。

一句话理解：

Proactor 模式中，应用程序只提交操作请求，内核在后台完成 I/O 后直接调用回调通知。

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核心组件：

• 异步操作发起者 (Asynchronous Operation Initiator)：应用程序发起异步 I/O 操作（例如，aio_read，在 Windows 上是 ReadFileEx）。
• 异步事件多路分发器 (Asynchronous Event Demultiplexer)：操作系统内核负责管理和完成异步 I/O 操作。
• 完成处理器 (Completion Handler)：操作系统在 I/O 操作完成后，会调用应用程序注册的这个回调函数，并将操作结果（如读取到的数据）作为参数传递给它。

工作流程：

1. 应用程序发起一个异步 I/O 操作（例如，read 到某个缓冲区）。
2. 操作系统内核接管这个 I/O 操作，立即返回，应用程序可以继续执行其他任务。
3. 当 I/O 操作在内核中完全完成后（数据已经读取到缓冲区，或者数据已经发送完毕），内核会通知应用程序。
4. 操作系统调用应用程序注册的完成处理器，将 I/O 操作的结果传递给它。

Proactor 的工作流程

1. 应用程序发起异步操作（如 aio_read() 或 Windows IOCP 的 ReadFileEx()）。
2. 内核异步完成 I/O。
3. 内核通知应用程序（通过回调、完成端口等机制）。
4. 应用程序直接处理已完成的数据，无需再调用 read()。

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Reactor vs Proactor 对比

特点	Reactor	Proactor
I/O 类型	同步非阻塞 I/O	异步 I/O
谁执行 I/O	应用程序主动 read/write	内核完成 I/O
触发时机	通知“就绪”	通知“完成”
常用平台	epoll (Linux)、select/poll	IOCP (Windows)、POSIX AIO

类比：

• Reactor：门铃响了，你要去开门拿快递。
• Proactor：快递小哥直接把快递送进家里，你只需处理包裹。

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为什么项目选择 Reactor

• Linux 原生提供的 epoll 是 就绪通知 模型，不会替咱们完成 recv()。
• Proactor 在 Linux 中实现比较复杂，需要 io_uring 或 POSIX AIO，而 epoll + Reactor 模式成熟且高效。