前記
第一次聽到Reactor模式是三年前的某個晚上，一個室友突然跑過來問我什麼是Reactor模式？我上網查了一下，很多人都是給出NIO中的 Selector的例子，而且就是NIO裏Selector多路複用模型，只是給它起了一個比較fancy的名字而已，雖然它引入了EventLoop概 念，這對我來說是新的概念，但是代碼實現卻是一樣的，因而我並沒有很在意這個模式。然而最近開始讀Netty源碼，而Reactor模式是很多介紹Netty的文章中被大肆宣傳的模式，因而我再次問自己，什麼是Reactor模式？本文就是對這個問題關於我的一些理解和嘗試着來解答。什麼是Reactor模式
要回答這個問題，首先當然是求助Google或Wikipedia，其中Wikipedia上說：“The reactor design pattern is an event handling pattern for handling service requests delivered concurrently by one or more inputs. The service handler then demultiplexes the incoming requests and dispatches them synchronously to associated request handlers.”。從這個描述中，我們知道Reactor模式首先是事件驅動的，有一個或多個併發輸入源，有一個Service Handler，有多個Request Handlers；這個Service Handler會同步的將輸入的請求（Event）多路複用的分發給相應的Request Handler。如果用圖來表達：
從結構上，這有點類似生產者消費者模式，即有一個或多個生產者將事件放入一個Queue中，而一個或多個消費者主動的從這個Queue中Poll事件來處理；而Reactor模式則並沒有Queue來做緩衝，每當一個Event輸入到Service Handler之後，該Service Handler會主動的根據不同的Event類型將其分發給對應的Request Handler來處理。
更學術的，這篇文章（Reactor An Object Behavioral Pattern for Demultiplexing and Dispatching Handles for Synchronous Events）上說：“The Reactor design pattern handles service requests that are delivered concurrently to an application by one or more clients. Each service in an application may consistent of several methods and is represented by a separate event handler that is responsible for dispatching service-specific requests. Dispatching of event handlers is performed by an initiation dispatcher, which manages the registered event handlers. Demultiplexing of service requests is performed by a synchronous event demultiplexer. Also known as Dispatcher, Notifier”。這段描述和Wikipedia上的描述類似，有多個輸入源，有多個不同的EventHandler（RequestHandler）來處理不同的請求，Initiation Dispatcher用於管理EventHander，EventHandler首先要註冊到Initiation Dispatcher中，然後Initiation Dispatcher根據輸入的Event分發給註冊的EventHandler；然而Initiation Dispatcher並不監聽Event的到來，這個工作交給Synchronous Event Demultiplexer來處理。
Reactor模式結構
在解決了什麼是Reactor模式後，我們來看看Reactor模式是由什麼模塊構成。圖是一種比較簡潔形象的表現方式，因而先上一張圖來表達各個模塊的名稱和他們之間的關係：
Handle：即操作系統中的句柄，是對資源在操作系統層面上的一種抽象，它可以是打開的文件、一個連接(Socket)、Timer等。由於Reactor模式一般使用在網絡編程中，因而這裏一般指Socket Handle，即一個網絡連接（Connection，在Java NIO中的Channel）。這個Channel註冊到Synchronous Event Demultiplexer中，以監聽Handle中發生的事件，對ServerSocketChannnel可以是CONNECT事件，對SocketChannel可以是READ、WRITE、CLOSE事件等。
Synchronous Event Demultiplexer：阻塞等待一系列的Handle中的事件到來，如果阻塞等待返回，即表示在返回的Handle中可以不阻塞的執行返回的事件類型。這個模塊一般使用操作系統的select來實現。在Java NIO中用Selector來封裝，當Selector.select()返回時，可以調用Selector的selectedKeys()方法獲取Set<SelectionKey>，一個SelectionKey表達一個有事件發生的Channel以及該Channel上的事件類型。上圖的“Synchronous Event Demultiplexer ---notifies--> Handle”的流程如果是對的，那內部實現應該是select()方法在事件到來後會先設置Handle的狀態，然後返回。不瞭解內部實現機制，因而保留原圖。
Initiation Dispatcher：用於管理Event Handler，即EventHandler的容器，用以註冊、移除EventHandler等；另外，它還作爲Reactor模式的入口調用Synchronous Event Demultiplexer的select方法以阻塞等待事件返回，當阻塞等待返回時，根據事件發生的Handle將其分發給對應的Event Handler處理，即回調EventHandler中的handle_event()方法。
Event Handler：定義事件處理方法：handle_event()，以供InitiationDispatcher回調使用。
Concrete Event Handler：事件EventHandler接口，實現特定事件處理邏輯。
Reactor模式模塊之間的交互
簡單描述一下Reactor各個模塊之間的交互流程，先從序列圖開始：
1. 初始化InitiationDispatcher，並初始化一個Handle到EventHandler的Map。
2. 註冊EventHandler到InitiationDispatcher中，每個EventHandler包含對相應Handle的引用，從而建立Handle到EventHandler的映射（Map）。
3. 調用InitiationDispatcher的handle_events()方法以啓動Event Loop。在Event Loop中，調用select()方法（Synchronous Event Demultiplexer）阻塞等待Event發生。
4. 當某個或某些Handle的Event發生後，select()方法返回，InitiationDispatcher根據返回的Handle找到註冊的EventHandler，並回調該EventHandler的handle_events()方法。
5. 在EventHandler的handle_events()方法中還可以向InitiationDispatcher中註冊新的Eventhandler，比如對AcceptorEventHandler來，當有新的client連接時，它會產生新的EventHandler以處理新的連接，並註冊到InitiationDispatcher中。
Reactor模式實現
在Reactor An Object Behavioral Pattern for Demultiplexing and Dispatching Handles for Synchronous Events中，一直以Logging Server來分析Reactor模式，這個Logging Server的實現完全遵循這裏對Reactor描述，因而放在這裏以做參考。Logging Server中的Reactor模式實現分兩個部分：Client連接到Logging Server和Client向Logging Server寫Log。因而對它的描述分成這兩個步驟。Client連接到Logging Server
1. Logging Server註冊LoggingAcceptor到InitiationDispatcher。
2. Logging Server調用InitiationDispatcher的handle_events()方法啓動。
3. InitiationDispatcher內部調用select()方法（Synchronous Event Demultiplexer），阻塞等待Client連接。
4. Client連接到Logging Server。
5. InitiationDisptcher中的select()方法返回，並通知LoggingAcceptor有新的連接到來。
6. LoggingAcceptor調用accept方法accept這個新連接。
7. LoggingAcceptor創建新的LoggingHandler。
8. 新的LoggingHandler註冊到InitiationDispatcher中(同時也註冊到Synchonous Event Demultiplexer中)，等待Client發起寫log請求。
Client向Logging Server寫Log
1. Client發送log到Logging server。
2. InitiationDispatcher監測到相應的Handle中有事件發生，返回阻塞等待，根據返回的Handle找到LoggingHandler，並回調LoggingHandler中的handle_event()方法。
3. LoggingHandler中的handle_event()方法中讀取Handle中的log信息。
4. 將接收到的log寫入到日誌文件、數據庫等設備中。
3.4步驟循環直到當前日誌處理完成。
5. 返回到InitiationDispatcher等待下一次日誌寫請求。
在Reactor An Object Behavioral Pattern for Demultiplexing and Dispatching Handles for Synchronous Events有對Reactor模式的C++的實現版本，多年不用C++，因而略過。
Java NIO對Reactor的實現
在Java的NIO中，對Reactor模式有無縫的支持，即使用Selector類封裝了操作系統提供的Synchronous Event Demultiplexer功能。這個Doug Lea已經在Scalable IO In Java中有非常深入的解釋了，因而不再贅述，另外這篇文章對Doug Lea的Scalable IO In Java有一些簡單解釋，至少它的代碼格式比Doug Lea的PPT要整潔一些。需要指出的是，不同這裏使用InitiationDispatcher來管理EventHandler，在Doug Lea的版本中使用SelectionKey中的Attachment來存儲對應的EventHandler，因而不需要註冊EventHandler這個步驟，或者設置Attachment就是這裏的註冊。而且在這篇文章中，Doug Lea從單線程的Reactor、Acceptor、Handler實現這個模式出發；演化爲將Handler中的處理邏輯多線程化，實現類似Proactor模式，此時所有的IO操作還是單線程的，因而再演化出一個Main Reactor來處理CONNECT事件(Acceptor)，而多個Sub Reactor來處理READ、WRITE等事件(Handler)，這些Sub Reactor可以分別再自己的線程中執行，從而IO操作也多線程化。這個最後一個模型正是Netty中使用的模型。並且在Reactor An Object Behavioral Pattern for Demultiplexing and Dispatching Handles for Synchronous Events的9.5 Determine the Number of Initiation Dispatchers in an Application中也有相應的描述。
EventHandler接口定義
對EventHandler的定義有兩種設計思路：single-method設計和multi-method設計：A single-method interface：它將Event封裝成一個Event Object，EventHandler只定義一個handle_event(Event event)方法。這種設計的好處是有利於擴展，可以後來方便的添加新的Event類型，然而在子類的實現中，需要判斷不同的Event類型而再次擴展成 不同的處理方法，從這個角度上來說，它又不利於擴展。另外在Netty3的使用過程中，由於它不停的創建ChannelEvent類，因而會引起GC的不穩定。
A multi-method interface：這種設計是將不同的Event類型在 EventHandler中定義相應的方法。這種設計就是Netty4中使用的策略，其中一個目的是避免ChannelEvent創建引起的GC不穩定， 另外一個好處是它可以避免在EventHandler實現時判斷不同的Event類型而有不同的實現，然而這種設計會給擴展新的Event類型時帶來非常 大的麻煩，因爲它需要該接口。
關於Netty4對Netty3的改進可以參考這裏：
爲什麼使用Reactor模式
歸功與Netty和Java NIO對Reactor的宣傳，本文慕名而學習的Reactor模式，因而已經默認Reactor具有非常優秀的性能，然而慕名歸慕名，到這裏，我還是要不得不問自己Reactor模式的好處在哪裏？即爲什麼要使用這個Reactor模式？在Reactor An Object Behavioral Pattern for Demultiplexing and Dispatching Handles for Synchronous Events中是這麼說的：這些貌似是很多模式的共性：解耦、提升複用性、模塊化、可移植性、事件驅動、細力度的併發控制等，因而並不能很好的說明什麼，特別是它鼓吹的對性能的提升，這裏並沒有體現出來。當然在這篇文章的開頭有描述過另一種直觀的實現：Thread-Per-Connection，即傳統的實現，提到了這個傳統實現的以下問題：
對於性能，它其實就是第一點關於Efficiency的描述，即線程的切換、同步、數據的移動會引起性能問題。也就是說從性能的角度上，它最大的提升就是減少了性能的使用，即不需要每個Client對應一個線程。我的理解，其他業務邏輯處理很多時候也會用到相同的線程，IO讀寫操作相對CPU的操作還是要慢很多，即使Reactor機制中每次讀寫已經能保證非阻塞讀寫，這裏可以減少一些線程的使用，但是這減少的線程使用對性能有那麼大的影響嗎？答案貌似是肯定的，這篇論文(SEDA: Staged Event-Driven Architecture - An Architecture for Well-Conditioned, Scalable Internet Service)對隨着線程的增長帶來性能降低做了一個統計：
在這個統計中，每個線程從磁盤中讀8KB數據，每個線程讀同一個文件，因而數據本身是緩存在操作系統內部的，即減少IO的影響；所有線程是事先分配的，不會有線程啓動的影響；所有任務在測試內部產生，因而不會有網絡的影響。該統計數據運行環境：Linux 2.2.14，2GB內存，4-way 500MHz Pentium III。從圖中可以看出，隨着線程的增長，吞吐量在線程數爲8個左右的時候開始線性下降，並且到64個以後而迅速下降，其相應事件也在線程達到256個後指數上升。即1+1<2，因爲線程切換、同步、數據移動會有性能損失，線程數增加到一定數量時，這種性能影響效果會更加明顯。
對於這點，還可以參考C10K Problem，用以描述同時有10K個Client發起連接的問題，到2010年的時候已經出現10M Problem了。
當然也有人說：Threads are expensive are no longer valid.在不久的將來可能又會發生不同的變化，或者這個變化正在、已經發生着？沒有做過比較仔細的測試，因而不敢隨便斷言什麼，然而本人觀點，即使線程變的影響並沒有以前那麼大，使用Reactor模式，甚至時SEDA模式來減少線程的使用，再加上其他解耦、模塊化、提升複用性等優點，還是值得使用的。
Reactor模式的缺點
Reactor模式的缺點貌似也是顯而易見的：1. 相比傳統的簡單模型，Reactor增加了一定的複雜性，因而有一定的門檻，並且不易於調試。
2. Reactor模式需要底層的Synchronous Event Demultiplexer支持，比如Java中的Selector支持，操作系統的select系統調用支持，如果要自己實現Synchronous Event Demultiplexer可能不會有那麼高效。
3. Reactor模式在IO讀寫數據時還是在同一個線程中實現的，即使使用多個Reactor機制的情況下，那些共享一個Reactor的Channel如果出現一個長時間的數據讀寫，會影響這個Reactor中其他Channel的相應時間，比如在大文件傳輸時，IO操作就會影響其他Client的相應時間，因而對這種操作，使用傳統的Thread-Per-Connection或許是一個更好的選擇，或則此時使用Proactor模式。