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标题: C++实现基于Reactor模式的百万级并发服务器 [打印本页]
作者: 老婆出轨    时间: 2025-4-3 04:23
标题: C++实现基于Reactor模式的百万级并发服务器


随着互联网应用的复杂性不绝增加，网络服务的并发处理本领变得越来越紧张。对于一个高并发、高吞吐量的服务器，传统的多线程和多历程模型往往会受到资源斲丧、上下文切换等问题的限制。因此，采用高效的事件驱动模型成为了高性能服务器的计划趋势之一。
Reactor 模式作为一种事件驱动的计划模式，已经被广泛应用于高性能服务器的开发中。本文将详细介绍如何使用 C++ 实现一个基于 Reactor 模式的百万级并发服务器。
1. Reactor 模式简介

Reactor 模式是一种事件驱动模式，旨在处理大量并发的 I/O 事件。在该模式下，事件发生时通过“事件分发器”将事件分发到相应的“事件处理器”进行处理。Reactor 模式具有以下特点：

1.1 Reactor 模式的布局

Reactor 模式的基本布局由以下几个组成部分构成：

2. 高并发服务器的计划挑战

在计划百万级并发的服务器时，紧张面临以下挑战：
2.1 I/O 阻塞与多线程开销

传统的阻塞式 I/O 模型会导致线程处于等待状态，从而浪费大量的体系资源。而使用多线程模型时，线程的频仍切换、上下文切换和线程池的管理也会引发明显的性能开销。
2.2 事件通知机制

如何实时、精确地获取网络事件的发生，并将事件分发给相应的处理器，是高效并发服务器的核心问题。通过 I/O 多路复用，Reactor 模式可以同时监听多个文件描述符，并在相应事件发生时进行处理。
2.3 体系资源斲丧

百万级并发的服务器必要保证资源的高效使用。通过制止为每个连接创建独立的线程，Reactor 模式有用淘汰了体系资源斲丧。
3. C++ 中的 Reactor 模式实现

为了实现一个基于 Reactor 模式的高并发服务器，我们必要使用高效的 I/O 多路复用机制，例如 epoll（在 Linux 环境下）。下面我们将使用 C++ 实现一个简单的 Reactor 模式服务器，该服务器可以或许处理百万级并发请求。
3.1 事件处理器（Handler）

事件处理器负责处理每个客户端的 I/O 操纵。在这个示例中，我们的事件处理器会在吸收到数据时进行处理，并返回一个响应。
  1. #include <iostream>
  2. #include <unistd.h>
  3. #include <cstring>
  5. class EventHandler {
  6. public:
  7.     virtual void handle_read(int fd) = 0;
  8.     virtual void handle_write(int fd) = 0;
  9.     virtual void handle_error(int fd) = 0;
  10. };
  12. class EchoHandler : public EventHandler {
  13. public:
  14.     void handle_read(int fd) override {
  15.         char buffer[1024];
  16.         int bytesRead = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
  17.         if (bytesRead > 0) {
  18.             std::cout << "Received data: " << std::string(buffer, bytesRead) << std::endl;
  19.             write(fd, buffer, bytesRead); // Echo back the data
  20.         } else {
  21.             handle_error(fd);
  22.         }
  23.     }
  25.     void handle_write(int fd) override {
  26.         // Handle write events if necessary (usually handled after reading)
  27.     }
  29.     void handle_error(int fd) override {
  30.         close(fd);
  31.         std::cout << "Error or connection closed for fd: " << fd << std::endl;
  32.     }
  33. };
复制代码
3.2 Reactor（事件分发器）

Reactor 是事件分发的核心，负责通过 epoll 监听多个客户端的 I/O 事件，并将事件分发给相应的事件处理器。
  1. #include <sys/epoll.h>
  2. #include <fcntl.h>
  3. #include <unistd.h>
  4. #include <iostream>
  5. #include <vector>
  7. class Reactor {
  8. public:
  9.     Reactor() {
  10.         epoll_fd = epoll_create1(0);
  11.         if (epoll_fd == -1) {
  12.             std::cerr << "Failed to create epoll instance" << std::endl;
  13.             exit(1);
  14.         }
  15.     }
  17.     ~Reactor() {
  18.         close(epoll_fd);
  19.     }
  21.     void register_handler(int fd, EventHandler* handler) {
  22.         struct epoll_event ev;
  23.         ev.events = EPOLLIN | EPOLLOUT | EPOLLET;
  24.         ev.data.fd = fd;
  25.         epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev);
  26.         handlers[fd] = handler;
  27.     }
  29.     void run() {
  30.         const int MAX_EVENTS = 100;
  31.         struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
  33.         while (true) {
  34.             int eventCount = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);
  35.             for (int i = 0; i < eventCount; ++i) {
  36.                 int fd = events[i].data.fd;
  37.                 if (events[i].events & EPOLLIN) {
  38.                     handlers[fd]->handle_read(fd);
  39.                 }
  40.                 if (events[i].events & EPOLLOUT) {
  41.                     handlers[fd]->handle_write(fd);
  42.                 }
  43.                 if (events[i].events & (EPOLLERR | EPOLLHUP)) {
  44.                     handlers[fd]->handle_error(fd);
  45.                 }
  46.             }
  47.         }
  48.     }
  50. private:
  51.     int epoll_fd;
  52.     std::unordered_map<int, EventHandler*> handlers;
  53. };
复制代码
3.3 服务端实现

最后，我们必要实现服务器的主程序，负责监听客户端连接、接受连接请求、创建新的事件处理器，并将这些连接注册到 Reactor 中。
  1. #include <sys/socket.h>
  2. #include <netinet/in.h>
  3. #include <arpa/inet.h>
  4. #include <iostream>
  5. #include <fcntl.h>
  7. #define SERVER_PORT 8080
  8. #define SERVER_ADDR "127.0.0.1"
  10. int create_server_socket() {
  11.     int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK, 0);
  12.     if (server_fd == -1) {
  13.         std::cerr << "Failed to create socket" << std::endl;
  14.         exit(1);
  15.     }
  17.     sockaddr_in server_addr;
  18.     server_addr.sin_family = AF_INET;
  19.     server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
  20.     server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_ADDR);
  22.     if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
  23.         std::cerr << "Failed to bind socket" << std::endl;
  24.         exit(1);
  25.     }
  27.     if (listen(server_fd, 100) == -1) {
  28.         std::cerr << "Failed to listen on socket" << std::endl;
  29.         exit(1);
  30.     }
  32.     return server_fd;
  33. }
  35. int main() {
  36.     int server_fd = create_server_socket();
  37.     Reactor reactor;
  38.     EchoHandler handler;
  40.     while (true) {
  41.         sockaddr_in client_addr;
  42.         socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
  43.         int client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);
  45.         if (client_fd != -1) {
  46.             std::cout << "New connection from client" << std::endl;
  47.             reactor.register_handler(client_fd, &handler);
  48.         }
  49.     }
  51.     reactor.run();
  52.     return 0;
  53. }
复制代码
3.4 编译与运行

将上述代码保存为 C++ 源文件（如 server.cpp），并使用以下下令进行编译：
  1. g++ server.cpp -o server -std=c++11 -pthread
复制代码
然后运行服务器：
  1. ./server
复制代码
4. 总结

通过使用 Reactor 模式，我们可以或许构建一个高效的、可以或许支持百万级并发连接的服务器。通过 epoll 等 I/O 多路复用技能，我们制止了传统多线程模型中线程创建和上下文切换的开销，实现了更高效的并发处理本领。Reactor 模式不仅可以或许提高体系的吞吐量，还能有用使用体系资源，是构建高性能服务器的理想选择。

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