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發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫

陳碩 (giantchen_AT_gmail)

Blog.csdn.net/Solstice

2010 Aug 30

本文主要介紹 muduo 網絡庫的使用。其設計與實現將有另文講解。

由來

半年前我寫了一篇《學之者生，用之者死——ACE歷史與簡評》，其中提到“我心目中理想的網絡庫”的樣子：

線程安全，支持多核多線程
不考慮可移植性，不跨平臺，只支持 Linux，不支持 Windows。
在不增加復雜度的前提下可以支持 FreeBSD/Darwin，方便將來用 Mac 作為開發用機，但不為它做性能優化。也就是說 IO multiplexing 使用 poll 和 epoll。
主要支持 x86-64，兼顧 IA32
不支持 UDP，只支持 TCP
不支持 IPv6，只支持 IPv4
不考慮廣域網應用，只考慮局域網
只支持一種使用模式：non-blocking IO + one event loop per thread，不考慮阻塞 IO
API 簡單易用，只暴露具體類和標準庫里的類，不使用 non-trivial templates，也不使用虛函數
只滿足常用需求的 90%，不面面俱到，必要的時候以 app 來適應 lib
只做 library，不做成 framework
爭取全部代碼在 5000 行以內（不含測試）
以上條件都滿足時，可以考慮搭配 Google Protocol Buffers RPC

在想清楚這些目標之后，我開始第三次嘗試編寫自己的 C++ 網絡庫。與前兩次不同，這次我一開始就想好了庫的名字，叫 muduo （木鐸），并在 Google code 上創建了項目： http://code.google.com/p/muduo/ 。muduo 的主體內容在 5 月底已經基本完成，現在我把它開源。

本文主要介紹 muduo 網絡庫的使用，其設計與實現將有另文講解。

下載與編譯

下載地址： http://muduo.googlecode.com/files/muduo-0.1.0-alpha.tar.gz

SHA1 Checksum: 5d3642e311177ded89ed0d15c10921738f8c984c

Muduo 使用了 Linux 較新的系統調用，要求 Linux 的內核版本大于 2.6.28 （我自己用的是 2.6.32 ）。在 Debian Squeeze / Ubuntu 10.04 LTS 上編譯測試通過，32 位和 64 位系統都能使用。

Muduo 采用 CMake 為 build system，安裝方法：

$ sudo apt-get install cmake

Muduo 依賴 Boost，很容易安裝：

$ sudo apt-get install libboost1.40-dev # 或 libboost1.42-dev

編譯方法很簡單：

$ tar zxf muduo-0.1.0-alpha.tar.gz

$ cd muduo/

$ ./build.sh

# 編譯生成的可執行文件和靜態庫文件分別位于 ../build/debug/{bin,lib}

如果要編譯 release 版，可執行

$ BUILD_TYPE=release ./build.sh

# 編譯生成的可執行文件和靜態庫文件分別位于 ../build/release/{bin,lib}

編譯完成之后請試運行其中的例子。比如 bin/inspector_test ，然后通過瀏覽器訪問 http://10.0.0.10:12345/ 或 http://10.0.0.10:12345/proc/status，其中 10.0.0.10 替換為你的 Linux box 的 IP。

例子

Muduo 附帶了幾十個小例子，位于 examples 目錄。其中包括從 Boost.Asio、JBoss Netty、Python Twisted 等處移植過來的例子。

examples

|-- simple # 簡單網絡協議的實現

| |-- allinone # 在一個程序里同時實現下面 5 個協議

| |-- chargen # RFC 864，可測試帶寬

| |-- daytime # RFC 867

| |-- discard # RFC 863

| |-- echo # RFC 862

| |-- time # RFC 868

| `-- timeclient # time 協議的客戶端

|-- hub # 一個簡單的 pub/sub/hub 服務，演示應用級的廣播

|-- roundtrip # 測試兩臺機器的網絡延時與時間差

|-- asio # 從 Boost.Asio 移植的例子

| |-- chat # 聊天服務

| `-- tutorial # 一系列 timers

|-- netty # 從 JBoss Netty 移植的例子

| |-- discard # 可用于測試帶寬，服務器可多線程運行

| |-- echo # 可用于測試帶寬，服務器可多線程運行

| `-- uptime # TCP 長連接

`-- twisted # 從 Python Twisted 移植的例子

`-- finger # finger01 ~ 07

基本結構

Muduo 的目錄結構如下。

muduo

|-- base # 與網絡無關的基礎代碼，已提前發布

`-- net # 網絡庫

|-- http # 一個簡單的可嵌入的 web 服務器

|-- inspect # 基于以上 web 服務器的“窺探器”，用于報告進程的狀態

`-- poller # poll(2) 和 epoll(4) 兩種 IO multiplexing 后端

Muduo 是基于 Reactor 模式的網絡庫，其核心是個事件循環 EventLoop，用于響應計時器和 IO 事件。Muduo 采用基于對象（object based）而非面向對象（object oriented）的設計風格，其接口多以 boost::function + boost::bind 表達。

Muduo 的頭文件明確分為客戶可見和客戶不可見兩類。客戶可見的為白底，客戶不可見的為灰底。

這里簡單介紹各個頭文件及 class 的作用，詳細的介紹留給以后的博客。

公開接口

Buffer 仿 Netty ChannelBuffer 的 buffer class，數據的讀寫透過 buffer 進行
InetAddress 封裝 IPv4 地址 (end point)，注意，muduo 目前不能解析域名，只認 IP
EventLoop 反應器 Reactor，用戶可以注冊計時器回調
EventLoopThread 啟動一個線程，在其中運行 EventLoop::loop()
TcpConnection 整個網絡庫的核心，封裝一次 TCP 連接
TcpClient 用于編寫網絡客戶端，能發起連接，并且有重試功能
TcpServer 用于編寫網絡服務器，接受客戶的連接
在這些類中，TcpConnection 的生命期依靠 shared_ptr 控制（即用戶和庫共同控制）。Buffer 的生命期由 TcpConnection 控制。其余類的生命期由用戶控制。
HttpServer 和 Inspector，暴露出一個 http 界面，用于監控進程的狀態，類似于 Java JMX。這么做的原因是，《程序員修煉之道》第 6 章第 34 條提到“對于更大、更復雜的服務器代碼，提供其操作的內部試圖的一種漂亮技術是使用內建的 Web 服務器”，Jeff Dean 也說“（每個 Google 的服務器進程）Export HTML-based status pages for easy diagnosis”。

內部實現

Channel 是 selectable IO channel，負責注冊與響應 IO 事件，它不擁有 file descriptor。它是 Acceptor、Connector、EventLoop、TimerQueue、TcpConnection 的成員，生命期由后者控制。
Socket 封裝一個 file descriptor，并在析構時關閉 fd。它是 Acceptor、TcpConnection 的成員，生命期由后者控制。EventLoop、TimerQueue 也擁有 fd，但是不封裝為 Socket。
SocketsOps 封裝各種 sockets 系統調用。
EventLoop 封裝事件循環，也是事件分派的中心。它用 eventfd(2) 來異步喚醒，這有別于傳統的用一對 pipe(2) 的辦法。它用 TimerQueue 作為計時器管理，用 Poller 作為 IO Multiplexing。
Poller 是 PollPoller 和 EPollPoller 的基類，采用“電平觸發”的語意。它是 EventLoop 的成員，生命期由后者控制。
PollPoller 和 EPollPoller 封裝 poll(2) 和 epoll(4) 兩種 IO Multiplexing 后端。Poll 的存在價值是便于調試，因為 poll(2) 調用是上下文無關的，用 strace 很容易知道庫的行為是否正確。
Connector 用于發起 TCP 連接，它是 TcpClient 的成員，生命期由后者控制。
Acceptor 用于接受 TCP 連接，它是 TcpServer 的成員，生命期由后者控制。
TimerQueue 用 timerfd 實現定時，這有別于傳統的設置 poll/epoll_wait 的等待時長的辦法。為了簡單起見，目前用鏈表來管理 Timer，如果有必要可改為優先隊列，這樣復雜度可從 O(n) 降為 O(ln n) （某些操作甚至是 O(1)）。它是 EventLoop 的成員，生命期由后者控制。
EventLoopThreadPool 用于創建 IO 線程池，也就是說把 TcpConnection 分派到一組運行 EventLoop 的線程上。它是 TcpServer 的成員，生命期由后者控制。

線程模型

Muduo 的線程模型符合我主張的 one loop per thread + thread pool 模型。每個線程最多有一個 EventLoop。每個 TcpConnection 必須歸某個 EventLoop 管理，所有的 IO 會轉移到這個線程，換句話說一個 file descriptor 只能由一個線程讀寫。TcpConnection 所在的線程由其所屬的 EventLoop 決定，這樣我們可以很方便地把不同的 TCP 連接放到不同的線程去，也可以把一些 TCP 連接放到一個線程里。TcpConnection 和 EventLoop 是線程安全的，可以跨線程調用。TcpServer 直接支持多線程，它有兩種模式：

1. 單線程，accept 與 TcpConnection 用同一個線程做 IO。

2. 多線程，accept 與 EventLoop 在同一個線程，另外創建一個 EventLoopThreadPool，新到的連接會按 round-robin 方式分配到線程池中。

結語

Muduo 是我對常見網絡編程任務的總結，用它我能很容易地編寫多線程的 TCP 服務器和客戶端。Muduo 是我業余時間的作品，代碼估計還有很多 bug，功能也不完善（例如不支持 signal 處理），待日后慢慢改進吧。

posted on 2010-08-29 23:42 陳碩閱讀(12110) 評論(20) 編輯收藏引用所屬分類: muduo

@dennis-zhuang
> 不支持udp是基于什么考慮？
因為我沒搞過 UDP 編程，沒有一手的經驗。

> timerQueue替換成優先隊列也是O(lg(n))的復雜度吧，而不是O(1)
刪除的復雜度是 O(ln n)。插入的平均復雜度是 O(1)，最壞復雜度是 O(ln n)。已訂正原文，多謝。

> 貌似沒有實現基于select的Poller。
確實，因為 select 比 poll 限制更多，有了 poll 和 epoll，沒必要再實現 select。

> 代碼很清晰，感謝。
thanks. 回復更多評論

# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫 2010-09-02 12:18 梨樹陽光

非常不錯，下來看看回復更多評論

# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫 2010-09-02 23:41 chaogu

不知樓主試過沒，Linux開50個線程機器會很卡，windows開50個的時候對機器的運行不影響。老實說我不是很明白。能不能解釋一下。
Linux是用的pthread
Windows用的是win32API
會不會是我使用不對啊（不要說開50個線程不對，我只是覺得Linux的線程應該比Windows好，開相同多的線程應該Linux好很多）。
老實說Linux我還是菜鳥。回復更多評論

# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫 2010-09-03 08:12 陳碩

@chaogu
我沒有遇到過，你的線程函數長什么樣？用哪種同步機制？回復更多評論

# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫[未登錄] 2010-09-03 09:10 cppexplore

@chaogu
linux的線程調度比windows的差, 有資料表明,windows上線程的調度切換是linux上的1/30大概.
另linux可以把進程和cpu綁定,而線程:低內核的linux則沒有相關函數, 2.6小版本內核有相關函數,但綁定不成功, 只有最新的linux內核才可以。
回復更多評論

# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫 2010-09-03 11:02 chaogu

@陳碩
函數是_beginthreadex
同步用的是WaitForSingleObject。回復更多評論

# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫 2010-09-03 11:22 陳碩

@chaogu
Linux 下呢？有沒有 busy waiting? 回復更多評論

# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫 2010-09-03 11:26 chaogu

@陳碩
其他的是一樣的。代碼上的區別只是線程上的不同。
Linux上用的就是pthread，同步用的是pthread_mutex_unlock（就是加鎖）。
Windows用WaitForSingleObject也就為了加鎖。回復更多評論

# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫 2010-09-03 12:18 陳碩

@chaogu
Linux 上用什么方式等待？回復更多評論

# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫 2010-09-03 13:10 chaogu

@陳碩
while（true）
難道有問題？回復更多評論

# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫 2010-09-03 13:29 陳碩

@chaogu
循環體內有沒有 pthread_cond_wait ? 或者貼一下代碼骨架吧。回復更多評論

# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫 2010-09-03 16:46 chaogu

 1  2   3  4   5  6  7   8  9  10  11 12  13  14  15  16  17  18  19 20  21  22  23  24  25 26 27  28 29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39 40 41  42  43 queue<sometype> shareQueue 0, 0); ">main{ run_server() 0, 0); ">} 0, 0); ">run_server{ //do something init 128, 0); ">    ....

//create thread 128, 0); ">    for(int i = 0;i < pollsize;++i){ pthread_attr_init(attr[i]) pthread_attr_setstacksize(attr[i],1024*120) threads[i] = pthread_create(threadids[i],attr[i],somefunc,args[i]) }

while(true){ __createShareObject__(shareObject) //Pseudo-code 128, 0); ">        pthread_mutex_lock(&mutex); shareQuueue.push(shareObject); pthread_mutex_unlock(&mutex); }

//clean up 128, 0); ">    ..... 0, 0); ">} 0, 0); ">somefunc(){ while(true){ pthread_mutex_lock(&mutex); if(shareQueue.size() < 1){ pthead_mutex_unlock(&mutex); continue; }else{ shareObject = shareQueue.pop(); pthread_mutex_unlock(&mutex); } __useShareObjectDoSomething__ //pseudo-code 128, 0); ">    } 0, 0); ">} 0, 0); ">不知這樣是否能看懂，不是我的代碼要保密，而是代碼有點難看，
就是我看也要整半天才能看懂。這個結構也就夠清晰了。Windows里
面的結構是一樣的，只不過pthread的函數換成win32api

回復更多評論 jaxHolder$Comments$CommentList$ctl15$DeleteLink','')">

# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫 2010-09-03 22:32 陳碩

@chaogu
這是典型的 busy-waiting，建議改為：

19 pthread_mutex_lock(&mutex);
20 shareQuueue.push(shareObject);
++ pthread_cond_signal(&condvar);
21 pthread_mutex_unlock(&mutex);

30 pthread_mutex_lock(&mutex);
31 while (shareQueue.size() < 1){
++ pthread_cond_wait(&condvar, &mutex);
34 }
35 shareObject = shareQueue.pop();
36 pthread_mutex_unlock(&mutex);

參考：
http://github.com/chenshuo/recipes/blob/master/thread/BlockingQueue.h 回復更多評論

# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫 2010-09-04 21:19 cpp

std::vector<char> buffer_;
看過mangos里也是采用這個來裝buffer。
vector和char [固定長度],請問你認為有什么優勢呢？回復更多評論

# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫 2010-09-04 21:27 陳碩

@cpp
vector 能伸縮唄，適合不定長的消息。回復更多評論

# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫 2015-11-06 22:39 孫國棟

Makefile:126: recipe for target 'all' failed
什么原因，謝謝？回復更多評論

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# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫 2010-08-30 08:25 路青飛

# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫 2010-08-30 08:56 陳碩

# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫 2010-08-30 09:07 expter

# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫 2010-08-30 09:48 dennis-zhuang

# re: 發布一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫 2010-08-30 10:41 陳碩