摘   要： 介紹了ACE反應器框架的核心設計與實現，揭示了該框架對事件實施多路分解和分派的機制。
關鍵詞： ACE反應器  設計模式  框架

　　在分布式系統、特別是服務器的事件驅動型應用中，必須隨時準備同時處理多個服務請求。許多傳統的應用程序在處理諸如網絡連接這樣的多個I/O端口服務時，往往借助于多進程模型或多線程模型。這種方法在需要同時處理多個網絡連接的服務器程序中相當流行。但是，在一些系統中，進程和線程的創建開銷和維護代價非常大。其不足主要表現在以下方面：
　　(1)由于CPU之間的上下文切換、同步和數據移動，使得線程方法效率不高。
　　(2)線程方法不適用于所有的操作系統，并且不是所有的操作系統都提供可移植的線程語義。
　　(3)相似的事件處理代碼在每一個新的工程中，由開發者面對許多復雜細節的情況下被重復地開發出來，并且這些程序在移植時困難重重。
　　(4)在制訂進程或線程策略進行并發服務器的優化時，如果不考慮像CPU的數目這樣的可用資源，實際上往往降低了程序的執行效率。
　　本文描述ACE(自適配通信環境)反應器框架的設計和實現。該框架可以有效克服上述不足。它實現了反應器(Reactor)模式[1]，該模式將事件多路分解和分派機制從服務中對指示事件的與應用有關的處理分離了出去。應用的每個服務可由一個或多個方法組成，并由一個單獨的事件處理器代表；事件處理器負責分派服務特有的請求。在ACE的反應器模式的實現中，事件處理器分派由ACE_Reactor對象完成。
1  ACE反應器框架類
　　這一部分簡要介紹反應器框架（ACE_Reactor）的類。圖1顯示了該框架中相關類之間最為重要的關系。

　　(1)ACE_Time_Value類：主要用于ACE Reactor I/O超時和定時器設置。
　　(2)ACE_Event_Handler類：抽象類，其接口提供的掛鉤方法是ACE_Reactor回調的目標。大多數通過ACE開發的應用事件處理器都是該類的后代。
　　(3)ACE_Timer_Queue類：抽象類，定義定時器隊列的能力和接口。
　　(4)ACE_Reactor類：提供一個接口，用來在Reactor框架中管理事件處理器登記，并執行事件循環來驅動事件檢測、多路分解和分派。
　　依照反應器模式，這些類扮演了事件基礎設施層和應用層二種角色。其中，擔當應用層角色的是ACE_Event_Handle類。
2  ACE反應器框架的核心實現
　　實現ACE反應器框架的關鍵是運用反應器（Reactor）模式。反應器模式中有五個主要的組成部分：(1)操作系統提供的句柄：用于標識網絡連接或打開的文件之類的事件源，事件源產生指示事件并對其進行排隊。(2)同步事件多路分解器：是一個函數，如select（）等，它是事件多路分解器的核心。(3)事件處理程序：定義一個或多個鉤子方法組成的接口。(4)具體事件處理程序：從事件處理程序接口繼承，并實現應用所特定的服務。(5)反應器：定義了一個接口，允許應用程序登記或刪除事件處理程序及其相關的句柄，并運行應用程序的事件循環。反應器使用同步事件多路分解器等待在句柄集上發生指示事件。
應用程序開發者只需要負責具體事件處理程序，并在反應器上予以注冊，應用程序就可以簡單地重用反應器的多路分解和分配機制了。反應器模式引入的結構實現回調的方法是：反應器等待指示事件，多路分解這些事件給具體事件處理程序，然后向具體事件處理程序分派相應的鉤子方法。下面介紹反應器框架的實現。
2.1 定義事件處理程序對象
　　在面向對象應用中，將事件處理程序與句柄結合起來的方法是建立一個事件處理對象。ACE反應器框架定義了不同類型的各種對象及相應的鉤子方法，這種由具體事件處理對象來分派的多接口策略更具可擴展性。下面簡化的C＋＋抽象基類即是在ACE反應器框架中用來產生這種類型的對象：
　　class ACE_Event_Handler{
　　public：//由反應器分派的用以處理各種具體事件處理程序的鉤子方法
　　virtual int handle_input(HANDLE handle)=0；//輸入事件
　　virtual int handle_outpur(HANDLE handle)=0；//輸出事件
　　virtual int handle_timeout(const ACE_Time_Value&)=0；
　　　　　　　　　　　　　//超時事件
　　virtual HANDLE get_handle( ) const=0；}//用于返回I/O句柄的鉤子方法
2.2 定義反應器接口
　　下面是一個簡化的ACE_Reactor類，它是ACE反應器框架中實現反應器模式的關鍵類。應用程序使用該反應器接口登記或刪除事件處理程序及其相關句柄，并調用應用程序的事件循環。通常用單件[5]訪問反應器接口，因為一個應用程序中有一個反應器就夠了。
　　class ACE_Reactor {
　　public：
　　virtual int register_handler(ACE_Event_Handler*event_
　　handler，ACE_Reactor_Mask masks)；
　　　　　　　　　//登記具體事件處理器
　　virtual int register_handler(ACE_Sig_Set sigset，ACE_Event_
　　Handler*event_handler，ACE_Reactor_Mask masks)；
　　　　　　　　//該事件處理器與信號處理有關
　　virtual int schedule_timer(ACE_Event_Handler*event_
　　handler，ACE_Time_Value time)；//登記一個事件處理器
　　　　　　　　　　　　　　　　　　//它將在用戶規定的時間后被執行
　　virtual int remove_handler(HANDLE h，ACE_Reactor_
　　　　Mask masks)；//移除具體事件處理器
　　void handle_events(ACE_Time_Value*timeout=0)；
　　　　　　　　　　　　　　//啟動反應器的事件循環處理
　　static Reactor*instance( )；//返回反應器單體實例
　　private：
　　ACE_Reactor_Impl implementation；}//反應器的具體實現
　　在上面的類中，ACE_Reactor_Mask是個自定義類型：
　　typedef unsigned long ACE_Reactor_Mask
　　它一般取以下枚舉類型的值，用來標志不同類型的事件：
　　enum{
　　READ_MASK=(1 << 0)，
　　WRITE_MASK=(1 << 1)，
　　EXCEPT_MASK=(1 <<2 )
　　……}
　　ACE_Reactor類是應用程序用以訪問ACE反應器框架的公共接口。橋接模式[5]使ACE_Reactor接口與它的ACE_Reactor_Impl子類實現耦合。在不同OS平臺上，該子類的實現也不相同。但是，ACE_Reactor接口提供的方法的名字和總的功能保持不變。這種統一性源于ACE_Reactor設計的模塊性，該設計還增強了反應器的可重用性、可移植性和可維護性。
2.3 反應器中多路分解和分派的實現
　　通常，除了調用同步事件多路分解器等待句柄集發生指示事件外，反應器實現還要維護一個多路分解表。該表是個管理者，包含一個格式為<句柄，事件處理程序，指示事件類型>的三元組，這使得所激活的句柄與激活該句柄的指示事件類型、所激活的句柄與該句柄所關聯的事件處理器三者之間清晰地聯系在一起。可用Linux操作系統為例來闡述這一點，因為在Linux中，I/O句柄是連續的整數，這使得句柄值成為多路分解表數組的索引。
　　在具體實現中，ACE反應器類的私有部分有一個包含上述多路分解表的對象handler_rep_，該對象存放著一個實現句柄到具體事件處理器映射的表，它是下面所示類的一個實例：
　　class ACE_Select_Reactor_Handler_Repository{
　　public：//尋找與handle相關聯的具體事件處理器
　　ACE_Event_Handler*find(ACE_HANDLE handle，size_t
　　*index_p=0)；
　　　　　　　//使得具體事件的句柄、指示標志綁定在一起
　　Int bind(ACE_HANDLE，ACE_Event_Handler*，ACE_
　　Reactor_Mask)：
　　size_t size(void) const；//返回表中所綁定的具體事件處理器的個數
　　　private：//盛裝一個事件處理器ACE_Event_Handler和其相關
　　　　　　　//聯的ACE_HANDLE句柄
　　ACE_Event_Tuple*event_handler-；}
　　class ACE_Event_Tuple{
　　public：
　　ACE_HANDLE handle_；
　　ACE_Event_Handler*event_handler_；}
　　當具體事件處理器調用register_handler( )方法向Reactor類登記時，將調用方法handler_rep_.bind (handle，event_handler，mask)，把這個“三元組”置于handler_rep_對象中。
　　在ACE中，用包裝器外觀類ACE_Handle_Set來封裝句柄集，用一個實現了迭代模式的類ACE_Handle_Set_
　　Iterator來迭代該句柄集中的句柄。一旦反應器進入主入口點方法handle_events( )，應用程序將利用它反應性地實現事件循環。當有指示事件發生時，反應器多路分解與分派(即回調)的方式為：該框架把反應器應處理的事件分成三種不同的類型，其中一類為I/O事件，由方法dispatch_io_
handlers( )加以處理。下面以處理常見應用中的I/O事件為例說明反應器的多路分解和分派的實現。
先定義一個函數指針：
　　typedef int (ACE_Event_Handler∷?鄢ACE_EH_PTMF) (ACE_HANDLE)；
　　此函數指針是實現具體服務分派的基礎，因為反應器通過函數指針決定了應調用handle_?鄢( )方法中的哪一種。
　　再定義一個函數：
　　ACE_Reactor_impl∷dispatch_io_set( ACE_Handle_Set&
　　dispatch_mask，ACE_EH_PTMF callback)
　　{  ACE_Handle_Set_Iterator handle_iter(dispatch_mask)；
        　　　　　　 //對特定句柄集中的句柄進行迭代
　　While(handle=handle_iter( )！=ACE_INVALID_HANDLE)
　　 { ACE_Event_Handler //找出被激活句柄相關聯
　　　　　　　　　　　　　　//的事件處理器
　　event_handler=this->handler_rep_.find(handle)；
      　　　　　　　　　　//利用函數指針對反映器進行回調
　　(event_handler->*callback)(handle)；}
　　}
　　上述函數對dispatch_mask句柄集中的句柄執行循環檢測。一旦某句柄被激活，即找出該句柄所關聯的ACE_Event_Handler對象，然后執行該對象所分派的方法，而具體方法由callback傳遞。
3  運用反應器框架的示例
　　以常見的登錄服務器為例。登錄服務器使用由兩個具體事件處理程序，即登錄接受器和登錄連接器實現的單件反應器。下面的代碼框架實現了登錄服務器示例中的具體事件處理程序。其中：My_Accept_Handler類（登錄接受器）用來被動地建立連接，My_Input_Handler類（登錄連接器）提供與應用有關的服務。
　　class My_Input_Handler：public ACE_Event_Handler{
　　public：
　　int handle_input(ACE_HANDLE){ //回調，以處理任何到來的連接
　　   ……具體代碼略……}
　　private：
　　ACE_SOCK_Stream peer_；}//流對象，用于讀寫
　　class My_Accept_Handler：public ACE_Event_Handler{
　　public：
　　My_Accept_Handler(ACE_Addr &addr){this->open(addr)；}
　　int open(ACE_Addr &addr) {//打開接受器，監聽客戶連接
　　peer_acceptor.open(addr)；}
　　int handle_input(ACE_HANDLE handle){
　　　　　　　　//重載handle_input( )方法
　　……代碼略，客戶請求連接，則建立一個處理器來處理這個連接……}
　　private：
　　ACE_SOCK_Accepto peer_acceptor；} //用以被動接受連接的接受器
　　int main(int argc，char*argv[]){
　　ACE_INET_Addr addr(PORT_NO)；//建立一個用來接受連接的地址
　　　　　　　　　　　　　　　　　　//建立一個接受事件處理器用以自動偵聽客戶連接
　　My_Accept_Handler*eh=new My_Accept_Handler(addr)；
　　　　　　　　　　　　　　　　　//向Reactor登記，以使在有連接請求時實現回調
　　ACE_Reactor∷instance( )->register_handler(eh，
　　ACE_Event_Handler∷ACCEPT_MASK)；
　　　　　　　while(1) //運行事件循環
　　ACE_Reactor∷instance()->handle_events()；}
4  總  結
　　本文對實現ACE反應器框架的核心源碼進行了分析，揭示了該框架使多路分解和分派機制與應用定義的事件處理策略相分離的方法。最后的實例表明，通過封裝許多復雜的功能，該框架可簡潔、正確、可移植和高效地進行事件驅動型網絡化應用的開發，從而使網絡化開發者能夠專注于應用所特有的服務。
參考文獻
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2   Schmidt D C，Huston S D.C++ Network Programming，Volume 2：Systematic Reuse with ACE and Frameworks.  Massachusetts：Addison-Wesley，2002
3   Schmidt D C.Reactor：An Object Behavioral Pattern for Demultiplexing and Despatching Handles for Synchronous Events.http：//www.cs.wustl.edu/~doc/pspdfs/Reactor.pdf，2004-12-05
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