libevent 是一款非常好用的 C 語言網絡庫，它也采用 Reactor 模型，正好可以與 muduo 做一對比。
本文用 ping pong 測試來對比 muduo 和 libevent2 的吞吐量，測試結果表明 muduo 吞吐量平均比 libevent2 高 18% 以上，個別情況達到 70%。
測試對象
測試環境與測試方法
測試環境與前文《muduo 與 boost asio 吞吐量對比》相同。
我自己編寫了 libevent2 的 ping pong 測試代碼，地址在 http://github.com/chenshuo/recipes/tree/master/pingpong/libevent/ 。由于這個測試代碼沒有使用多線程，所以本次測試只對比單線程下的性能。
測試內容為：客戶端與服務器運行在同一臺機器，均為單線程，測試并發連接數為 1/10/100/1000/10000 時的吞吐量。
在同一臺機器測試吞吐量的原因：
- 現在的 CPU 很快，即便是單線程單 TCP 連接也能把 Gigabit 以太網的帶寬跑滿。如果用兩臺機器，所有的吞吐量測試結果都將是 100 MiB/s，失去了對比的意義。（或許可以對比哪個庫占的 CPU 少。）
- 在同一臺機器上測試，可以在 CPU 資源相同的情況下，單純對比網絡庫的效率。也就是說單線程下，服務端和客戶端各占滿 1 個 CPU，比較哪個庫的吞吐量高。
測試結果
單線程吞吐量測試，數字越大越好：
以上結果讓人大跌眼鏡，muduo 居然比 libevent 快 70%！跟蹤 libevent2 的源代碼發現，它每次最多從 socket 讀取 4096 字節的數據 (證據在 buffer.c 的 evbuffer_read() 函數)，怪不得吞吐量比 muduo 小很多。因為在這一測試中，muduo 每次讀取 16384 字節，系統調用的性價比較高。
buffer.c:#define EVBUFFER_MAX_READ 4096
為了公平起見，我再測了一次，這回兩個庫都發送 4096 字節的消息。
測試結果表明 muduo 吞吐量平均比 libevent2 高 18% 以上。
討論
由于 libevent2 每次最多從網絡讀取 4096 字節，大大限制了它的吞吐量。
muduo (http://code.google.com/p/muduo) 是一個基于 Reactor 模式的 C++ 網絡庫，我在編寫它的時候并沒有以高并發高吞吐為主要目標，但出乎我的意料，ping pong 測試表明，muduo 吞吐量比 boost.asio 高 15% 以上。
測試對象
測試環境
硬件：DELL 490 工作站，雙路 Intel quad core Xeon E5320 CPU，16G 內存
操作系統：Ubuntu Linux Server 10.04.1 LTS x86_64
編譯器：g++ 4.4.3
測試方法
依據 asio 性能測試 http://think-async.com/Asio/LinuxPerformanceImprovements 的辦法，用 ping pong 協議來測試吞吐量。
簡單地說，ping pong 協議是客戶端和服務器都實現 echo 協議。當 TCP 連接建立時，客戶端向服務器發送一些數據，服務器會 echo 回這些數據，然后客戶端再 echo 回服務器。這些數據就會像乒乓球一樣在客戶端和服務器之間來回傳送，直到有一方斷開連接為止。這是用來測試吞吐量的常用辦法。
asio 的測試代碼取自 http://asio.cvs.sourceforge.net/viewvc/asio/asio/src/tests/performance/ ，未作更改。
muduo 的測試代碼在 0.1.1 軟件包內，路徑為 examples/pingpong/，代碼如 http://gist.github.com/564985 所示。
muduo 和 asio 的優化編譯參數均為 -O2 -finline-limit=1000
$ BUILD_TYPE=release ./build.sh # 編譯 muduo 的優化版本
我主要做了兩項測試：
- 單線程測試，測試并發連接數為 1/10/100/1000/10000 時的吞吐量。
- 多線程測試，并發連接數為 100 或 1000，服務器和客戶端的線程數同時設為 1/2/3/4。（由于我家里只有一臺 8 核機器，而且服務器和客戶端運行在同一臺機器上，線程數大于 4 沒有意義。）
所有測試中，ping pong 消息的大小均為 16k bytes。測試用的 shell 腳本可從 http://gist.github.com/564985 下載。
測試結果
單線程測試的結果，數字越大越好：
多線程測試的結果，數字越大越好：
測試結果表明 muduo 吞吐量平均比 asio 高 15% 以上。
討論
muduo 出乎意料地比 asio 性能優越，我想主要得益于其簡單的設計和簡潔的代碼。
asio 在多線程測試中表現不佳，我猜測其主要原因是測試代碼只使用了一個 io_service，如果改用“io_service per CPU”的話，性能應該有所提高。我對 asio 的了解程度僅限于能讀懂其代碼，希望能有 asio 高手編寫“io_service per CPU”的 ping pong 測試，以便與 muduo 做一個公平的比較。
ping pong 測試很容易實現，歡迎其他網絡庫（ACE、POCO、libevent 等）也能加入到對比中來，期待這些庫的高手出馬。
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。
目錄
由來 1
下載與編譯 2
例子 2
基本結構 3
公開接口 4
內部實現 4
線程模型 5
結語 5
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。
發布一個我自己業余時間編寫的 C++ 多線程庫 for Linux，這個庫只有不到 1000 行源代碼，封裝了 pthreads 的常用功能（互斥器、條件變量、線程），實現了簡單的線程池，并仿照 java concurrent 包編寫了 BlockingQueue 和 CountDownLatch。庫里的每個 class 都提供了使用樣例。
這個庫的內容：
- 整數的原子操作， AtomicInt32 和 AtomicInt64
- 線程，Thread
- 線程池，ThreadPool
- 互斥器與條件變量， MutexLock，MutexLockGuard 與 Condition
- 帶調用棧信息 (stack trace) 的異?；?，Exception
- 仿 Java concurrent 的 BlockingQueue 和 CountDownLatch
- Singleton 與 ThreadLocal
注：我故意沒有提供信號量 Semaphore 的封裝。將來或許會增加讀寫鎖的封裝，如果我在博客中用到的話。
Thread 和 ThreadPool 的接口設計采用了《以 boost::function 和 boost:bind 取代虛函數》里提倡的風格，沒有使用繼承和基類。
注意，CurrentThread 有一個 thread local 變量 t_threadName，其作用是在調試和分析 core dump 時打印線程的名稱，例如：
(gdb) p 'muduo::CurrentThread::t_threadName'
$4 = 0x4057fe "ThreadPool2"
MutexLock，MutexLockGuard 與 Condition 的使用請參考《多線程服務器的常用編程模型》。
CountDownLatch 的使用樣例見 test/BlockingQueue_test.cc
git 下載地址： http://github.com/chenshuo/recipes
瀏覽源代碼： http://github.com/chenshuo/recipes/tree/master/thread/
這個庫在 Debian Squeeze 和 Ubuntu 10.04 LTS 下編譯測試通過，適用于 x86 和 x86-64 平臺。
摘要: Google 開源了很多優秀的 C++ 程序庫，本文介紹如何將其中幾個整合到一起。
本文涉及的 Google 庫有：
gflags - 命令行參數解析?？梢酝耆妹钚衼砼渲脩贸绦?，省去配置文件。
gtest - C++ 單元測試框架
gmock - C++ 單元測試中用到的 mock
glog - 日志庫
protobuf - 高效的網絡協議格式
還有第三方的 libunwind 和 zlib。
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摘要: ACE 是現代面向對象網絡編程的鼻祖，確立了許多重要模式，如 Reactor、Acceptor 等，重要到我們甚至覺得網絡編程就應該是那樣的。但為什么 ACE 叫好不叫座？大名鼎鼎卻使用者寥寥？本文談談從其誕生背景、代碼質量等方面談談我的個人觀點。
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摘要: 編寫線程安全的類不是難事，用同步原語保護內部狀態即可。但是對象的生與死不能由對象自身擁有的互斥器來保護。如何保證即將析構對象 x 的時候，不會有另一個線程正在調用 x 的成員函數？或者說，如何保證在執行 x 的成員函數期間，對象 x 不會在另一個線程被析構？如何避免這種競態條件是 C++ 多線程編程面臨的基本問題，可以借助 boost 的 shared_ptr 和 weak_ptr 完美解決。這也是實現線程安全的 Observer 模式的必備技術。全文 1 萬 2 千余字，有 PDF 版下載。
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