公布一个基于 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解说。

文件夹

由来

半年前我写了一篇《学之者生，用之者死——ACE历史与简评》，当中提到“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，仅仅支持 Linux，不支持 Windows。
在不添加复杂度的前提下能够支持 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，仅仅支持 TCP
不支持 IPv6，仅仅支持 IPv4
不考虑广域网应用，仅仅考虑局域网
仅仅支持一种使用模式：non-blocking IO + one event loop per thread，不考虑堵塞 IO
API 简单易用，仅仅暴露详细类和标准库里的类，不使用 non-trivial templates，也不使用虚函数
仅仅满足经常使用需求的 90%，不面面俱到，必要的时候以 app 来适应 lib
仅仅做 library，不做成 framework
争取所有代码在 5000 行以内（不含測试）
以上条件都满足时，能够考虑搭配 Google Protocol Buffers RPC

在想清楚这些目标之后，我開始第三次尝试编写自己的 C++ 网络库。与前两次不同，这次我一開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 月底已经基本完毕，如今我把它开源。

本文主要介绍 muduo 网络库的使用，其设计与实现将有另文解说。

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 的内核版本号大于 2.6.28 （我自己用的是 2.6.32 ）。在 Debian Squeeze / Ubuntu 10.04 LTS 上编译測试通过，32 位和 64 位系统都能使用。

Muduo 採用 CMake 为 build system，安装方法：

$ sudo apt-get install cmake

Muduo 依赖 Boost，非常easy安装：

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

编译方法非常easy：

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

$ cd muduo/

$ ./build.sh

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

假设要编译 release 版，可运行

$ BUILD_TYPE=release ./build.sh

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

编译完毕之后请试执行当中的样例。比方 bin/inspector_test ，然后通过浏览器訪问 http://10.0.0.10:12345/ 或 http://10.0.0.10:12345/proc/status，当中 10.0.0.10 替换为你的 Linux box 的 IP。

样例

Muduo 附带了几十个小样例，位于 examples 文件夹。当中包含从 Boost.Asio、JBoss Netty、Python Twisted 等处移植过来的样例。

examples

|-- simple # 简单网络协议的实现

| |-- allinone # 在一个程序里同一时候实现以下 5 个协议

| |-- chargen # RFC 864，可測试带宽

| |-- 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 # 測试两台机器的网络延时与时间差

|-- asio # 从 Boost.Asio 移植的样例

| |-- chat # 聊天服务

| `-- tutorial # 一系列 timers

|-- netty # 从 JBoss Netty 移植的样例

| |-- discard # 可用于測试带宽，server可多线程执行

| |-- echo # 可用于測试带宽，server可多线程执行

| `-- uptime # TCP 长连接

`-- twisted # 从 Python Twisted 移植的样例

`-- finger # finger01 ~ 07

基本结构

Muduo 的文件夹结构例如以下。

muduo

|-- base # 与网络无关的基础代码，已提前公布

`-- net # 网络库

|-- http # 一个简单的可嵌入的 web server

|-- inspect # 基于以上 web server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 採用基于对象（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 的头文件明白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。

这里简介各个头文件及 class 的作用，具体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 眼下不能解析域名，仅仅认 IP
EventLoop 反应器 Reactor，用户能够注冊计时器回调
EventLoopThread 启动一个线程，在当中执行 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client，能发起连接，而且有重试功能
TcpServer 用于编写网络server，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，相似于 Java JMX。这么做的原因是，《程序猿修炼之道》第 6 章第 34 条提到“对于更大、更复杂的server代码，提供其操作的内部试图的一种美丽技术是使用内建的 Web server”，Jeff Dean 也说“（每一个 Google 的server进程）Export HTML-based status pages for easy diagnosis”。

内部实现

Channel 是 selectable IO channel，负责注冊与响应 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，可是不封装为 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，採用“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，由于 poll(2) 调用是上下文无关的，用 strace 非常easy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，眼下用链表来管理 Timer，假设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 分派到一组执行 EventLoop 的线程上。它是 TcpServer 的成员，生命期由后者控制。

类图

线程模型

Muduo 的线程模型符合我主张的 one loop per thread + thread pool 模型。每一个线程最多有一个 EventLoop。每一个 TcpConnection 必须归某个 EventLoop 管理，全部的 IO 会转移到这个线程，换句话说一个 file descriptor 仅仅能由一个线程读写。TcpConnection 所在的线程由其所属的 EventLoop 决定，这样我们能够非常方便地把不同的 TCP 连接放到不同的线程去，也能够把一些 TCP 连接放到一个线程里。TcpConnection 和 EventLoop 是线程安全的，能够跨线程调用。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，用它我能非常easy地编写多线程的 TCP server和client。Muduo 是我业余时间的作品，代码预计还有非常多 bug，功能也不完好（比如不支持 signal 处理），待日后慢慢改进吧。

后记：性能測试：

1. muduo 与 boost asio 吞吐量对照

2. muduo 与 libevent2 吞吐量对照

3. 击鼓传花：对照 muduo 与 libevent2 的事件处理效率