Reactor（リアクター）
英語表記: Reactor
概要
Reactor（リアクター）パターンは、並列/リアクティブパラダイムにおける、非常に効率的なイベント駆動型アーキテクチャを設計するための主要なパターンの一つです。これは、単一のスレッドを用いて複数のI/O操作を同時に監視・処理することを可能にする設計であり、特に多数のクライアント接続を扱う高性能なサーバーアプリケーションで真価を発揮します。このパターンは、従来の「命令型プログラミング」で一般的だった、I/O操作の完了を待つ間にスレッドが停止してしまう（ブロッキング）問題を根本的に解決し、システム全体の応答性とスケーラビリティを劇的に向上させます。
詳細解説
Reactorパターンは、プログラミングパラダイムの進化、特に命令型から並列/リアクティブパラダイムへの移行において、極めて重要な役割を果たしています。その核となる目的は、限られたシステムリソース（主にスレッド）を最大限に活用し、高い並行処理能力を、オーバーヘッドを最小限に抑えて実現することです。
目的と背景
従来の命令型プログラミングに基づくサーバー設計では、新しいリクエストが来るたびに専用の処理スレッドを割り当てることが一般的でした。しかし、ネットワーク通信やファイルI/Oといった「入出力（I/O）操作」は、CPU処理と比較して非常に時間がかかります。スレッドがI/Oの完了を待っている間、そのスレッドは他の有用な処理を実行できず、単にリソースを消費するだけの状態（ブロッキング状態）になってしまいます。クライアント数が数千、数万と増えると、システムはスレッドの生成や切り替え（コンテキストスイッチ）のオーバーヘッドでパンクしてしまい、スケーラビリティに限界が訪れます。
Reactorパターンは、この問題を解決するために、I/Oの待機時間を無駄にしない「ノンブロッキングI/O」と「イベント駆動」の仕組みを組み合わせます。これにより、単一のスレッド（または少数のスレッド）が、多数のI/Oイベントを効率的に管理できるようになるのです。
主要な構成要素
Reactorパターンは、主に以下の3つのコンポーネントで構成され、協調して動作します。
- リアクター（Reactor）:
パターンの中心となる司令塔です。イベントデマルチプレクサの監視結果を受け取り、発生したイベントの種類に応じて適切なイベントハンドラへの処理のディスパッチ（振り分け）を行います。イベントループを実行する主体であり、システムの応答性を維持する鍵となります。 - イベントデマルチプレクサ（Event Demultiplexer）:
多数のI/Oソース（ネットワークソケットなど）を監視し、現在どのI/O操作がデータ準備完了の状態にあるかを検出する役割を担います。オペレーティングシステムが提供する低レベルのAPI（例：Linuxのepoll、BSD/macOSのkqueue、WindowsのIOCPなど）を利用して、効率的に多数の接続を監視します。これは、準備ができたものだけを賢く選別する「選別機」のようなイメージです。 - イベントハンドラ（Event Handler）:
特定のイベント（例：データ受信完了、接続確立）が発生した際に、実際にアプリケーション固有の処理を実行するモジュールです。リアクターからディスパッチの指示を受け取り、ノンブロッキングな形でI/O操作（データの読み書き）を実行し、次のイベントの登録を行います。
動作原理：イベントループ
Reactorの動作は「イベントループ」を中心に展開します。
- 監視: リアクターは、イベントデマルチプレクサに対し、現在登録されているすべてのI/Oソース（ソケットなど）について、準備完了を待つように指示します。
- 検出: イベントデマルチプレクサは、データが読み書き可能になったI/Oソースを検出します。
- 通知とディスパッチ: 準備完了が検出されると、イベントデマルチプレクサはリアクターに通知します。リアクターは、どのイベントハンドラがこのイベントを処理すべきかを判断し、処理を委譲します。
- 処理: イベントハンドラは、イベントに対応する処理を迅速に実行します。重要なのは、この処理がブロッキングを伴わないことです。もし重たい計算が必要な場合は、別の専用スレッドプールに処理をオフロードするなどして、イベントループを占有しないように設計されます。
- ループ: 処理が完了すると、イベントループはすぐに次のイベントの監視に戻ります。
具体例・活用シーン
Reactorパターンは、現代のインターネットインフラを支える多くの高性能システムで基盤として採用されています。特に、Webサーバー、プロキシ、メッセージキューなど、同時接続数がボトルネックになりやすい分野で活躍しています。
活用シーンの例
- Node.jsのV8エンジン: JavaScriptのランタイムであるNode.jsは、シングルスレッド（メインのイベントループ）で動作することで知られていますが、その裏側ではReactorパターン（libuvライブラリ）がノンブロッキングI/Oを管理しています。これにより、Webアプリケーションサーバーとして非常に高いスケーラビリティを実現しています。
- Nginx: 高速なリバースプロキシおよびWebサーバーとして有名なNginxも、イベント駆動型のアーキテクチャを採用しており、少ないプロセスで大量の同時接続を効率的に処理できます。
- Netty: Javaで高性能なネットワークアプリケーションを構築するためのフレームワークです。Reactorパターンをベースにしており、高いスループットと低レイテンシを提供します。
アナロジー：空港の管制塔（イベント駆動の交通整理）
Reactorパターンを理解するための最も分かりやすいメタファーは、「空港の管制塔」の機能に例えることです。
従来の命令型（ブロッキング）サーバーを想像してみてください。これは、滑走路（I/Oリソース）が一つしかなく、着陸許可（処理）を待っている飛行機（リクエスト）が、前の飛行機が完全に駐機場に入るまで、空中で待たされ続ける状態です。飛行機一機につき管制官（スレッド）が一人専属でつき、その間、他の管制官は何もできません。リソースの無駄遣
