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發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù)

陳碩 (giantchen_AT_gmail)

Blog.csdn.net/Solstice

2010 Aug 30

本文主要介紹 muduo 網(wǎng)絡(luò)庫(kù)的使用。其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)將有另文講解。

內(nèi)部實(shí)現(xiàn) 4

線程模型 5

結(jié)語(yǔ) 5

由來(lái)

半年前我寫了一篇《學(xué)之者生，用之者死——ACE歷史與簡(jiǎn)評(píng)》，其中提到“我心目中理想的網(wǎng)絡(luò)庫(kù)”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(tái)，只支持 Linux，不支持 Windows。
在不增加復(fù)雜度的前提下可以支持 FreeBSD/Darwin，方便將來(lái)用 Mac 作為開發(fā)用機(jī)，但不為它做性能優(yōu)化。也就是說(shuō) 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(wǎng)應(yīng)用，只考慮局域網(wǎng)
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(jiǎn)單易用，只暴露具體類和標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)里的類，不使用 non-trivial templates，也不使用虛函數(shù)
只滿足常用需求的 90%，不面面俱到，必要的時(shí)候以 app 來(lái)適應(yīng) lib
只做 library，不做成 framework
爭(zhēng)取全部代碼在 5000 行以內(nèi)（不含測(cè)試）
以上條件都滿足時(shí)，可以考慮搭配 Google Protocol Buffers RPC

在想清楚這些目標(biāo)之后，我開始第三次嘗試編寫自己的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù)。與前兩次不同，這次我一開始就想好了庫(kù)的名字，叫 muduo （木鐸），并在 Google code 上創(chuàng)建了項(xiàng)目： http://code.google.com/p/muduo/ 。muduo 的主體內(nèi)容在 5 月底已經(jīng)基本完成，現(xiàn)在我把它開源。

本文主要介紹 muduo 網(wǎng)絡(luò)庫(kù)的使用，其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)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(tǒng)調(diào)用，要求 Linux 的內(nèi)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(cè)試通過(guò)，32 位和 64 位系統(tǒng)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(jiǎn)單：

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

$ cd muduo/

$ ./build.sh

# 編譯生成的可執(zhí)行文件和靜態(tài)庫(kù)文件分別位于 ../build/debug/{bin,lib}

如果要編譯 release 版，可執(zhí)行

$ BUILD_TYPE=release ./build.sh

# 編譯生成的可執(zhí)行文件和靜態(tài)庫(kù)文件分別位于 ../build/release/{bin,lib}

編譯完成之后請(qǐng)?jiān)囘\(yùn)行其中的例子。比如 bin/inspector_test ，然后通過(guò)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(gè)小例子，位于 examples 目錄。其中包括從 Boost.Asio、JBoss Netty、Python Twisted 等處移植過(guò)來(lái)的例子。

examples

|-- simple # 簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

| |-- allinone # 在一個(gè)程序里同時(shí)實(shí)現(xiàn)下面 5 個(gè)協(xié)議

| |-- chargen # RFC 864，可測(cè)試帶寬

| |-- daytime # RFC 867

| |-- discard # RFC 863

| |-- echo # RFC 862

| |-- time # RFC 868

| `-- timeclient # time 協(xié)議的客戶端

|-- hub # 一個(gè)簡(jiǎn)單的 pub/sub/hub 服務(wù)，演示應(yīng)用級(jí)的廣播

|-- roundtrip # 測(cè)試兩臺(tái)機(jī)器的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)與時(shí)間差

|-- asio # 從 Boost.Asio 移植的例子

| |-- chat # 聊天服務(wù)

| `-- tutorial # 一系列 timers

|-- netty # 從 JBoss Netty 移植的例子

| |-- discard # 可用于測(cè)試帶寬，服務(wù)器可多線程運(yùn)行

| |-- echo # 可用于測(cè)試帶寬，服務(wù)器可多線程運(yùn)行

| `-- uptime # TCP 長(zhǎng)連接

`-- twisted # 從 Python Twisted 移植的例子

`-- finger # finger01 ~ 07

基本結(jié)構(gòu)

Muduo 的目錄結(jié)構(gòu)如下。

muduo

|-- base # 與網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān)的基礎(chǔ)代碼，已提前發(fā)布

`-- net # 網(wǎng)絡(luò)庫(kù)

|-- http # 一個(gè)簡(jiǎn)單的可嵌入的 web 服務(wù)器

|-- inspect # 基于以上 web 服務(wù)器的“窺探器”，用于報(bào)告進(jìn)程的狀態(tài)

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

Muduo 是基于 Reactor 模式的網(wǎng)絡(luò)庫(kù)，其核心是個(gè)事件循環(huán) EventLoop，用于響應(yīng)計(jì)時(shí)器和 IO 事件。Muduo 采用基于對(duì)象（object based）而非面向?qū)ο螅╫bject oriented）的設(shè)計(jì)風(fēng)格，其接口多以 boost::function + boost::bind 表達(dá)。

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(jiǎn)單介紹各個(gè)頭文件及 class 的作用，詳細(xì)的介紹留給以后的博客。

公開接口

Buffer 仿 Netty ChannelBuffer 的 buffer class，數(shù)據(jù)的讀寫透過(guò) buffer 進(jìn)行
InetAddress 封裝 IPv4 地址 (end point)，注意，muduo 目前不能解析域名，只認(rèn) IP
EventLoop 反應(yīng)器 Reactor，用戶可以注冊(cè)計(jì)時(shí)器回調(diào)
EventLoopThread 啟動(dòng)一個(gè)線程，在其中運(yùn)行 EventLoop::loop()
TcpConnection 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)庫(kù)的核心，封裝一次 TCP 連接
TcpClient 用于編寫網(wǎng)絡(luò)客戶端，能發(fā)起連接，并且有重試功能
TcpServer 用于編寫網(wǎng)絡(luò)服務(wù)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(kù)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(gè) http 界面，用于監(jiān)控進(jìn)程的狀態(tài)，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(duì)于更大、更復(fù)雜的服務(wù)器代碼，提供其操作的內(nèi)部試圖的一種漂亮技術(shù)是使用內(nèi)建的 Web 服務(wù)器”，Jeff Dean 也說(shuō)“（每個(gè) Google 的服務(wù)器進(jìn)程）Export HTML-based status pages for easy diagnosis”。

內(nèi)部實(shí)現(xiàn)

Channel 是 selectable IO channel，負(fù)責(zé)注冊(cè)與響應(yīng) 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(gè) file descriptor，并在析構(gòu)時(shí)關(guān)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(tǒng)調(diào)用。
EventLoop 封裝事件循環(huán)，也是事件分派的中心。它用 eventfd(2) 來(lái)異步喚醒，這有別于傳統(tǒng)的用一對(duì) pipe(2) 的辦法。它用 TimerQueue 作為計(jì)時(shí)器管理，用 Poller 作為 IO Multiplexing。
Poller 是 PollPoller 和 EPollPoller 的基類，采用“電平觸發(fā)”的語(yǔ)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(jià)值是便于調(diào)試，因?yàn)?poll(2) 調(diào)用是上下文無(wú)關(guān)的，用 strace 很容易知道庫(kù)的行為是否正確。
Connector 用于發(fā)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(shí)現(xiàn)定時(shí)，這有別于傳統(tǒng)的設(shè)置 poll/epoll_wait 的等待時(shí)長(zhǎng)的辦法。為了簡(jiǎn)單起見，目前用鏈表來(lái)管理 Timer，如果有必要可改為優(yōu)先隊(duì)列，這樣復(fù)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(chuàng)建 IO 線程池，也就是說(shuō)把 TcpConnection 分派到一組運(yùn)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(gè)線程最多有一個(gè) EventLoop。每個(gè) TcpConnection 必須歸某個(gè) EventLoop 管理，所有的 IO 會(huì)轉(zhuǎn)移到這個(gè)線程，換句話說(shuō)一個(gè) file descriptor 只能由一個(gè)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(gè)線程里。TcpConnection 和 EventLoop 是線程安全的，可以跨線程調(diào)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(gè)線程做 IO。

2. 多線程，accept 與 EventLoop 在同一個(gè)線程，另外創(chuàng)建一個(gè) EventLoopThreadPool，新到的連接會(huì)按 round-robin 方式分配到線程池中。

結(jié)語(yǔ)

Muduo 是我對(duì)常見網(wǎng)絡(luò)編程任務(wù)的總結(jié)，用它我能很容易地編寫多線程的 TCP 服務(wù)器和客戶端。Muduo 是我業(yè)余時(shí)間的作品，代碼估計(jì)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(jìn)吧。

posted on 2010-08-29 23:42 陳碩閱讀(12057) 評(píng)論(20) 編輯收藏引用所屬分類: muduo

評(píng)論

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù) 2010-08-30 08:25 路青飛

超贊！
有個(gè)小問題，為什么不支持Windows呢? 回復(fù) 更多評(píng)論

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù) 2010-08-30 08:56 陳碩

@路青飛
因?yàn)槲覍?duì) Windows 編程不熟。回復(fù) 更多評(píng)論

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù) 2010-08-30 09:07 expter

很好，下載學(xué)習(xí)下。。回復(fù) 更多評(píng)論

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù) 2010-08-30 09:48 dennis-zhuang

不支持udp是基于什么考慮？
timerQueue替換成優(yōu)先隊(duì)列也是O(lg(n))的復(fù)雜度吧，而不是O(1)
貌似沒有實(shí)現(xiàn)基于select的Poller。
代碼很清晰，感謝。回復(fù) 更多評(píng)論

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù) 2010-08-30 10:41 陳碩

@dennis-zhuang
> 不支持udp是基于什么考慮？
因?yàn)槲覜]搞過(guò) UDP 編程，沒有一手的經(jīng)驗(yàn)。

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

> 貌似沒有實(shí)現(xiàn)基于select的Poller。
確實(shí)，因?yàn)?select 比 poll 限制更多，有了 poll 和 epoll，沒必要再實(shí)現(xiàn) select。

> 代碼很清晰，感謝。
thanks. 回復(fù) 更多評(píng)論

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù) 2010-09-02 12:18 梨樹陽(yáng)光

非常不錯(cuò)，下來(lái)看看回復(fù) 更多評(píng)論

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù) 2010-09-02 23:41 chaogu

不知樓主試過(guò)沒，Linux開50個(gè)線程機(jī)器會(huì)很卡，windows開50個(gè)的時(shí)候?qū)C(jī)器的運(yùn)行不影響。老實(shí)說(shuō)我不是很明白。能不能解釋一下。
Linux是用的pthread
Windows用的是win32API
會(huì)不會(huì)是我使用不對(duì)啊（不要說(shuō)開50個(gè)線程不對(duì)，我只是覺得Linux的線程應(yīng)該比Windows好，開相同多的線程應(yīng)該Linux好很多）。
老實(shí)說(shuō)Linux我還是菜鳥。回復(fù) 更多評(píng)論

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù) 2010-09-03 08:12 陳碩

@chaogu
我沒有遇到過(guò)，你的線程函數(shù)長(zhǎng)什么樣？用哪種同步機(jī)制？回復(fù) 更多評(píng)論

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù)[未登錄] 2010-09-03 09:10 cppexplore

@chaogu
linux的線程調(diào)度比windows的差, 有資料表明,windows上線程的調(diào)度切換是linux上的1/30大概.
另linux可以把進(jìn)程和cpu綁定,而線程:低內(nèi)核的linux則沒有相關(guān)函數(shù), 2.6小版本內(nèi)核有相關(guān)函數(shù),但綁定不成功, 只有最新的linux內(nèi)核才可以。
回復(fù) 更多評(píng)論

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù) 2010-09-03 11:02 chaogu

@陳碩
函數(shù)是_beginthreadex
同步用的是WaitForSingleObject。回復(fù) 更多評(píng)論

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù) 2010-09-03 11:22 陳碩

@chaogu
Linux 下呢？有沒有 busy waiting? 回復(fù) 更多評(píng)論

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù) 2010-09-03 11:26 chaogu

@陳碩
其他的是一樣的。代碼上的區(qū)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(fù) 更多評(píng)論

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù) 2010-09-03 12:18 陳碩

@chaogu
Linux 上用什么方式等待？回復(fù) 更多評(píng)論

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù) 2010-09-03 13:10 chaogu

@陳碩
while（true）
難道有問題？回復(fù) 更多評(píng)論

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù) 2010-09-03 13:29 陳碩

@chaogu
循環(huán)體內(nèi)有沒有 pthread_cond_wait ? 或者貼一下代碼骨架吧。回復(fù) 更多評(píng)論

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù) 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(diǎn)難看，
就是我看也要整半天才能看懂。這個(gè)結(jié)構(gòu)也就夠清晰了。Windows里
面的結(jié)構(gòu)是一樣的，只不過(guò)pthread的函數(shù)換成win32api

回復(fù) 更多評(píng)論 jaxHolder$Comments$CommentList$ctl15$DeleteLink','')">

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù) 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(fù) 更多評(píng)論

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù) 2010-09-04 21:19 cpp

std::vector<char> buffer_;
看過(guò)mangos里也是采用這個(gè)來(lái)裝buffer。
vector和char [固定長(zhǎng)度],請(qǐng)問你認(rèn)為有什么優(yōu)勢(shì)呢？回復(fù) 更多評(píng)論

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù) 2010-09-04 21:27 陳碩

@cpp
vector 能伸縮唄，適合不定長(zhǎng)的消息。回復(fù) 更多評(píng)論

# re: 發(fā)布一個(gè)基于 Reactor 模式的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫(kù) 2015-11-06 22:39 孫國(guó)棟

Makefile:126: recipe for target 'all' failed
什么原因，謝謝？回復(fù) 更多評(píng)論

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