（原创）拨开迷雾见月明-剖析asio中的proactor模式（一）

　　使用asio之前要先对它的设计思想有所了解，了解设计思想将有助于我们理解和应用asio。asio是基于proactor模式的，asio的proactor模式隐藏于大量的细节当中，要找到它的踪迹，往往有种只见树木不见森林之感，笔者将剖析asio中的proactor模式，一步一步揭开它的面纱，最终拨开云雾，将一个完整的proactor模式还原出来。在剖析asio的proactor模式之前，我们先来看看常见的io设计模式。proactor（主动器）模式是一种重要的I/O设计模式，用来解决高并发网络中遇到的问题，另外还有一种模式是reactor（反应器），libevent是基于reactor实现的，让我们先看看这两种模式的一些特点。

反应器和主动器模式介绍

　　反应器需要应用程序先注册事件处理器，然后启动反应器的事件循环，不断的检查是否有就绪I/O事件，当有就绪事件时，同步事件多路分解器将会返回到反应器，反应器会将事件分发给多个句柄的回调函数以处理这些事件。【1】

反应器的一个特点是，具体的处理程序并不调用反应器，而是由反应器来通知处理程序去处理事件。这种方式也被称为“控制反转”，又称为“好莱坞原则”。下面是反应器模式的类图：

反应器模式大概的流程是这样的：

1. 应用程序在反应器上注册具体事件处理器，处理器提供内部句柄给反应器。
2. 注册之后，应用程序开始启动反应器事件循环。反应器将通过select等待发生在句柄集上的就绪事件。
3. 当一个或多个句柄变成就绪状态时（比如某个socket读就绪了），反应器将通知注册的事件处理器。
4. 事件处理器处理就绪事件，完成用户请求。

　　反应器模式使用起来相对直观，但是它不能同时支持大量的客户请求或者耗时过长的请求，因为它串行化了所有的事件处理过程。而proactor模式在这方面做了改进。

主动器的类图如下：

 

1. 应用程序需要定义一个异步执行的操作，例如socket的异步读写。
2. 执行异步操作，异步事件处理器将异步请求交给操作系统就返回了，让操作系统去完成具体的操作，操作系统在完成操作之后，会将完成事件放入一个完成事件队列。
3. 异步事件分离器会检测完成事件，当检测到完成事件，则从完成事件队列中取出完成事件，并通知应用程序注册的完成事件处理函数去处理。
4. 完成事件处理函数处理异步操作的结果。

　　Reactor和Proactor模式的主要区别就是真正的操作（如读、写）是由谁来完成的，Reactor中需要应用程序自己读取或者写入数据，而Proactor模式中，应用程序不需要进行实际的读写过程，操作系统会读取缓冲区或者写入缓存区到真正的IO设备，应用程序只需要从缓冲区读取或者写入即可。Proactor模式中，用户发起异步操作之后就返回了，让操作系统去处理请求，然后等着回调到完成事件函数中处理异步操作的结果。

asio的proactor模式

　　介绍了这两种IO设计模式之后，我们再看看asio中的proactor模式是怎么样的。要了解asio中的proactor首先要了解asio的基本用法和异步操作的流程，然后再根据流程并结合proactor模式来分析行。
　　分析asio的proactor之前我们先看一个发起异步连接的简单例子，通过这个简单的例子来看看asio的一些重要的对象。
asio::io_service io_service;
tcp::socket socket(io_service);
boost::asio::async_connect(socket, server_address, connect_handler);
io_service.run();
　　别看只有短短四行代码，它的内部其实做了很多复杂的事情，屏蔽了很多细节，才使得我们用起来很简单。首先来看看第一行代码，第一行代码定义了一个asio的核心对象io_service，所有的io object对象的初始化都要将这个io_service传入，关于这点先不细说，在后面再谈。第二行创建了一个tcp::socket 类型的io object对象，通过这个io object对象我们就可以发起异步操作了。发起异步操作之后，再调用io_service的run启动事件循环，等待异步事件的完成。有了一个初步认识之后我们再来看看这些对象是干啥的，有什么作用。
　　先来看看io object，io object是asio给用户提供的一个io相关的操作对象，io object会将用户发起的操作转发给io_service，比如可以通过它们来发起异步连接、读和写等等，asio的io object有如下这些：

　　让我们再来看看windows平台上发起一个异步操作的具体流程：

　　用户通过io object对象 tcp::socket发起async_connect操作，scoket会委托内部的模板类basic_socket的async_connect，basic_socket采用handle body手法，它也仅仅是做个转发，它又委托服务类stream_socket_service调用async_connect，其实stream_socket_service也不是具体干事的，它继续委托给平台相关的具体服务类对象win_iocp_socket_service去完成最终的async_connect，win_iocp_socket_service实际上将这个异步请求交给了操作系统，然后应用程序就返回了，让操作系统去完成异步请求。再回过头来看看第三行代码：

boost::asio::async_connect(socket, server_address, connect_handler);

　　别看它只有简单一行代码，它实际上在内部将这个异步请求转手了三次才最终发送到操作系统，够复杂吧。这里可以参考一个具体的时序图，看看发起异步操作的过程是怎样的：

 

　　看到这里也许有人会看得云里雾里的，为啥一个异步操作要转这么多层才交给操作系统。这是因为asio的设计就是分了几层的，从应用层转到中间层，再转到服务层，再到最底层的操作系统，理解了这种分层架构就能理解为啥一个请求要转几次了。asio实际上分了三层，第一层为io objcet层，作为应用程序直接使用的对象，提供basic_xxx模板的基本io操作接口；第二层为basic_xxx模板类层，这一层的作用是将具体的操作转发给服务层；第三层是服务层，它提供操作的底层实现。它又分为两层：接收操作层和平台适配层。中间层的basic_xxx模板实例会将用户发起的操作转发到服务层的接收操作层，接收操作层又将操作转发到具体的平台适配层，平台适配层会调用操作系统的api完成操作。让我们看看asio具体分了哪几层：

　　通过这个分层的架构图，我们就理解了为什么一个操作要转发这么多次，因为每一层都有自己的职责，高层的请求需要一层一层转发到最底层。这里需要提到asio的另外一个重要的对象win_iocp_socket_service，由于它是处于最底层的服务对象，用户层是看不见，但是用户层发起的操作大都是由它调用windows api完成的。

      关于异步操作的发起并转发给操作系统我们已经说完了，但转发给操作系统的请求完成之后的处理还没谈，操作系统如何将操作完成的结果回调到应用层的呢，proactor的踪影又在哪里呢，且听下回分解。后面我们会慢慢从这些繁琐的细节中走出来，逐步从asio中清晰的还原出proactor模式来，让读者看清其庐山真面目。在下一节中，我会带领读者从proactor模式中来又回到proactor模式中去，相信读者看完自然会有豁然开朗之感。未完待续......

文中的部分插图来自于洋子和lujun-cc的博客，部分内容作了参考，在此表示感谢。

 

[1]《面向模式的软件架构卷2》

 

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