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发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库

发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库

陈硕 (giantchen_AT_gmail)

Blog.csdn.net/Solstice

2010 Aug 30

本文主要介绍 muduo 网络库的使用。其设计与实现将有另文讲解。

目录

由来 1

下载与编译 2

例子 2

基本结构 3

公开接口 4

内部实现 4

线程模型 5

结语 5

由来

半年前我写了一篇《学之者生，用之者死——ACE历史与简评》，其中提到“我心目中理想的网络库”的样子：

  • 线程安全，支持多核多线程
  • 不考虑可移植性，不跨平台，只支持 Linux，不支持 Windows。
  • 在不增加复杂度的前提下可以支持 FreeBSD/Darwin，方便将来用 Mac 作为开发用机，但不为它做性能优化。也就是说 IO multiplexing 使用 poll 和 epoll。
  • 主要支持 x86-64，兼顾 IA32
  • 不支持 UDP，只支持 TCP
  • 不支持 IPv6，只支持 IPv4
  • 不考虑广域网应用，只考虑局域网
  • 只支持一种使用模式：non-blocking IO + one event loop per thread，不考虑阻塞 IO
  • API 简单易用，只暴露具体类和标准库里的类，不使用 non-trivial templates，也不使用虚函数
  • 只满足常用需求的 90%，不面面俱到，必要的时候以 app 来适应 lib
  • 只做 library，不做成 framework
  • 争取全部代码在 5000 行以内（不含测试）
  • 以上条件都满足时，可以考虑搭配 Google Protocol Buffers RPC

在想清楚这些目标之后，我开始第三次尝试编写自己的 C++ 网络库。与前两次不同，这次我一开始就想好了库的名字，叫 muduo （木铎），并在 Google code 上创建了项目： http://code.google.com/p/muduo/ 。muduo 的主体内容在 5 月底已经基本完成，现在我把它开源。

本文主要介绍 muduo 网络库的使用，其设计与实现将有另文讲解。

下载与编译

下载地址： http://muduo.googlecode.com/files/muduo-0.1.0-alpha.tar.gz

SHA1 Checksum: 5d3642e311177ded89ed0d15c10921738f8c984c

Muduo 使用了 Linux 较新的系统调用，要求 Linux 的内核版本大于 2.6.28 （我自己用的是 2.6.32 ）。在 Debian Squeeze / Ubuntu 10.04 LTS 上编译测试通过，32 位和 64 位系统都能使用。

Muduo 采用 CMake 为 build system，安装方法：

$ sudo apt-get install cmake

Muduo 依赖 Boost，很容易安装：

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

编译方法很简单：

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

$ cd muduo/

$ ./build.sh

# 编译生成的可执行文件和静态库文件分别位于 ../build/debug/{bin,lib}

如果要编译 release 版，可执行

$ BUILD_TYPE=release ./build.sh

# 编译生成的可执行文件和静态库文件分别位于 ../build/release/{bin,lib}

编译完成之后请试运行其中的例子。比如 bin/inspector_test ，然后通过浏览器访问 http://10.0.0.10:12345/ 或 http://10.0.0.10:12345/proc/status，其中 10.0.0.10 替换为你的 Linux box 的 IP。

例子

Muduo 附带了几十个小例子，位于 examples 目录。其中包括从 Boost.Asio、JBoss Netty、Python Twisted 等处移植过来的例子。

examples

|-- simple # 简单网络协议的实现

|   |-- allinone  # 在一个程序里同时实现下面 5 个协议

|   |-- chargen   # RFC 864，可测试带宽

|   |-- daytime # RFC 867

|   |-- discard # RFC 863

|   |-- echo # RFC 862

|   |-- time # RFC 868

|   `-- timeclient # time 协议的客户端

|-- hub # 一个简单的 pub/sub/hub 服务，演示应用级的广播

|-- roundtrip # 测试两台机器的网络延时与时间差

|-- asio # 从 Boost.Asio 移植的例子

|   |-- chat # 聊天服务

|   `-- tutorial # 一系列 timers

|-- netty # 从 JBoss Netty 移植的例子

|   |-- discard # 可用于测试带宽，服务器可多线程运行

|   |-- echo # 可用于测试带宽，服务器可多线程运行

|   `-- uptime # TCP 长连接

`-- twisted # 从 Python Twisted 移植的例子

    `-- finger # finger01 ~ 07

基本结构

Muduo 的目录结构如下。

muduo

|-- base # 与网络无关的基础代码，已提前发布

`-- net # 网络库

    |-- http # 一个简单的可嵌入的 web 服务器

    |-- inspect # 基于以上 web 服务器的“窥探器”，用于报告进程的状态

    `-- poller # poll(2) 和 epoll(4) 两种 IO multiplexing 后端

Muduo 是基于 Reactor 模式的网络库，其核心是个事件循环 EventLoop，用于响应计时器和 IO 事件。Muduo 采用基于对象（object based）而非面向对象（object oriented）的设计风格，其接口多以 boost::function + boost::bind 表达。

Muduo 的头文件明确分为客户可见和客户不可见两类。客户可见的为白底，客户不可见的为灰底。

inc

这里简单介绍各个头文件及 class 的作用，详细的介绍留给以后的博客。

公开接口
  • Buffer 仿 Netty ChannelBuffer 的 buffer class，数据的读写透过 buffer 进行
  • InetAddress 封装 IPv4 地址 (end point)，注意，muduo 目前不能解析域名，只认 IP
  • EventLoop 反应器 Reactor，用户可以注册计时器回调
  • EventLoopThread 启动一个线程，在其中运行 EventLoop::loop()
  • TcpConnection 整个网络库的核心，封装一次 TCP 连接
  • TcpClient 用于编写网络客户端，能发起连接，并且有重试功能
  • TcpServer 用于编写网络服务器，接受客户的连接
  • 在这些类中，TcpConnection 的生命期依靠 shared_ptr 控制（即用户和库共同控制）。Buffer 的生命期由 TcpConnection 控制。其余类的生命期由用户控制。
  • HttpServer 和 Inspector，暴露出一个 http 界面，用于监控进程的状态，类似于 Java JMX。这么做的原因是，《程序员修炼之道》第 6 章第 34 条提到“对于更大、更复杂的服务器代码，提供其操作的内部试图的一种漂亮技术是使用内建的 Web 服务器”，Jeff Dean 也说“（每个 Google 的服务器进程）Export HTML-based status pages for easy diagnosis”。
内部实现
  • Channel 是 selectable IO channel，负责注册与响应 IO 事件，它不拥有 file descriptor。它是 Acceptor、Connector、EventLoop、TimerQueue、TcpConnection 的成员，生命期由后者控制。
  • Socket 封装一个 file descriptor，并在析构时关闭 fd。它是 Acceptor、TcpConnection 的成员，生命期由后者控制。EventLoop、TimerQueue 也拥有 fd，但是不封装为 Socket。
  • SocketsOps 封装各种 sockets 系统调用。
  • EventLoop 封装事件循环，也是事件分派的中心。它用 eventfd(2) 来异步唤醒，这有别于传统的用一对 pipe(2) 的办法。它用 TimerQueue 作为计时器管理，用 Poller 作为 IO Multiplexing。
  • Poller 是 PollPoller 和 EPollPoller 的基类，采用“电平触发”的语意。它是 EventLoop 的成员，生命期由后者控制。
  • PollPoller 和 EPollPoller 封装 poll(2) 和 epoll(4) 两种 IO Multiplexing 后端。Poll 的存在价值是便于调试，因为 poll(2) 调用是上下文无关的，用 strace 很容易知道库的行为是否正确。
  • Connector 用于发起 TCP 连接，它是 TcpClient 的成员，生命期由后者控制。
  • Acceptor 用于接受 TCP 连接，它是 TcpServer 的成员，生命期由后者控制。
  • TimerQueue 用 timerfd 实现定时，这有别于传统的设置 poll/epoll_wait 的等待时长的办法。为了简单起见，目前用链表来管理 Timer，如果有必要可改为优先队列，这样复杂度可从 O(n) 降为 O(ln n) （某些操作甚至是 O(1)）。它是 EventLoop 的成员，生命期由后者控制。
  • EventLoopThreadPool 用于创建 IO 线程池，也就是说把 TcpConnection 分派到一组运行 EventLoop 的线程上。它是 TcpServer 的成员，生命期由后者控制。

线程模型

Muduo 的线程模型符合我主张的 one loop per thread + thread pool 模型。每个线程最多有一个 EventLoop。每个 TcpConnection 必须归某个 EventLoop 管理，所有的 IO 会转移到这个线程，换句话说一个 file descriptor 只能由一个线程读写。TcpConnection 所在的线程由其所属的 EventLoop 决定，这样我们可以很方便地把不同的 TCP 连接放到不同的线程去，也可以把一些 TCP 连接放到一个线程里。TcpConnection 和 EventLoop 是线程安全的，可以跨线程调用。TcpServer 直接支持多线程，它有两种模式：

1. 单线程，accept 与 TcpConnection 用同一个线程做 IO。

2. 多线程，accept 与 EventLoop 在同一个线程，另外创建一个 EventLoopThreadPool，新到的连接会按 round-robin 方式分配到线程池中。

结语

Muduo 是我对常见网络编程任务的总结，用它我能很容易地编写多线程的 TCP 服务器和客户端。Muduo 是我业余时间的作品，代码估计还有很多 bug，功能也不完善（例如不支持 signal 处理），待日后慢慢改进吧。

posted on 2010-08-29 23:42 陈硕 阅读(11968) 评论(20)  编辑 收藏 引用 所属分类: muduo

评论

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库 2010-08-30 08:25 路青飞

超赞！
有个小问题，为什么不支持Windows呢?  回复  更多评论   

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库 2010-08-30 08:56 陈硕

@路青飞
因为我对 Windows 编程不熟。  回复  更多评论   

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库 2010-08-30 09:07 expter

很好，下载学习下。。  回复  更多评论   

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库 2010-08-30 09:48 dennis-zhuang

不支持udp是基于什么考虑？
timerQueue替换成优先队列也是O(lg(n))的复杂度吧，而不是O(1)
貌似没有实现基于select的Poller。
代码很清晰，感谢。  回复  更多评论   

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库 2010-08-30 10:41 陈硕

@dennis-zhuang
> 不支持udp是基于什么考虑？
因为我没搞过 UDP 编程，没有一手的经验。

> timerQueue替换成优先队列也是O(lg(n))的复杂度吧，而不是O(1)
删除的复杂度是 O(ln n)。插入的平均复杂度是 O(1)，最坏复杂度是 O(ln n)。已订正原文，多谢。

> 貌似没有实现基于select的Poller。
确实，因为 select 比 poll 限制更多，有了 poll 和 epoll，没必要再实现 select。

> 代码很清晰，感谢。
thanks.  回复  更多评论   

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库 2010-09-02 12:18 梨树阳光

非常不错，下来看看  回复  更多评论   

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库 2010-09-02 23:41 chaogu

不知楼主试过没，Linux开50个线程机器会很卡，windows开50个的时候对机器的运行不影响。老实说我不是很明白。能不能解释一下。
Linux是用的pthread
Windows用的是win32API
会不会是我使用不对啊（不要说开50个线程不对，我只是觉得Linux的线程应该比Windows好，开相同多的线程应该Linux好很多）。
老实说Linux我还是菜鸟。  回复  更多评论   

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库 2010-09-03 08:12 陈硕

@chaogu
我没有遇到过，你的线程函数长什么样？用哪种同步机制？  回复  更多评论   

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库[未登录] 2010-09-03 09:10 cppexplore

@chaogu
linux的线程调度比windows的差, 有资料表明,windows上线程的调度切换是linux上的1/30大概.
另linux可以把进程和cpu绑定,而线程:低内核的linux则没有相关函数, 2.6小版本内核有相关函数,但绑定不成功, 只有最新的linux内核才可以。
  回复  更多评论   

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库 2010-09-03 11:02 chaogu

@陈硕
函数是_beginthreadex
同步用的是WaitForSingleObject。  回复  更多评论   

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库 2010-09-03 11:22 陈硕

@chaogu
Linux 下呢？有没有 busy waiting?  回复  更多评论   

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库 2010-09-03 11:26 chaogu

@陈硕
其他的是一样的。代码上的区别只是线程上的不同。
Linux上用的就是pthread，同步用的是pthread_mutex_unlock（就是加锁）。
Windows用WaitForSingleObject也就为了加锁。  回复  更多评论   

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库 2010-09-03 12:18 陈硕

@chaogu
Linux 上用什么方式等待？  回复  更多评论   

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库 2010-09-03 13:10 chaogu

@陈硕
while（true）
难道有问题？  回复  更多评论   

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库 2010-09-03 13:29 陈硕

@chaogu
循环体内有没有 pthread_cond_wait ? 或者贴一下代码骨架吧。  回复  更多评论   

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库 2010-09-03 16:46 chaogu 

 1 queue<sometype> shareQueue
 2 
 3 main{
 4     run_server()
 5 }
 6 run_server{
 7     //do something init
 8     ....
 9     
10     //create thread
11     for(int i = 0;i < pollsize;++i){
12         pthread_attr_init(attr[i])
13         pthread_attr_setstacksize(attr[i],1024*120)
14         threads[i] = pthread_create(threadids[i],attr[i],somefunc,args[i])
15     }
16     
17     while(true){
18         __createShareObject__(shareObject) //Pseudo-code
19         pthread_mutex_lock(&mutex);
20         shareQuueue.push(shareObject);
21         pthread_mutex_unlock(&mutex);
22     }
23     
24     //clean up
25     .....
26 }
27 
28 somefunc(){
29     while(true){
30         pthread_mutex_lock(&mutex);
31         if(shareQueue.size() < 1){
32             pthead_mutex_unlock(&mutex);
33             continue;
34         }else{
35             shareObject = shareQueue.pop();
36             pthread_mutex_unlock(&mutex);            
37         }
38         __useShareObjectDoSomething__ //pseudo-code
39     }
40 }
41 
42 
43 不知这样是否能看懂，不是我的代码要保密，而是代码有点难看，
就是我看也要整半天才能看懂。这个结构也就够清晰了。Windows里
面的结构是一样的，只不过pthread的函数换成win32api
  回复  更多评论   

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库 2010-09-03 22:32 陈硕

@chaogu
这是典型的 busy-waiting，建议改为：

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);

参考：
http://github.com/chenshuo/recipes/blob/master/thread/BlockingQueue.h  回复  更多评论   

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库 2010-09-04 21:19 cpp

std::vector<char> buffer_;
看过mangos里也是采用这个来装buffer。
vector和char [固定长度],请问你认为有什么优势呢？  回复  更多评论   

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库 2010-09-04 21:27 陈硕

@cpp
vector 能伸缩呗，适合不定长的消息。  回复  更多评论   

# re: 发布一个基于 Reactor 模式的 C++ 网络库 2015-11-06 22:39 孙国栋

Makefile:126: recipe for target 'all' failed
什么原因，谢谢？  回复  更多评论   


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