Muduo库源码剖析(十)——总结

2023-11-17

Muduo网络库的核心代码模块

Channel

封装fd的对应事件变化情况，和关注事件

fd 、events、 revents、 callbacks，

两种channel： listenfd-acceptorChannel, connfd-connectionChannel

Poller 和 EPollPoller - Demultiplex

std::unordered_map<int, Channel*> channels_

EventLoop - Reactor

负责 Channel 和Poller通信

std::vector<Channel*> activeChannels_

std::unique_ptr<Poller> poller_

int wakeupFd_; // 当mainloop获取一个新用户的channel，通过轮询算法选择一个subloop，通过该fd唤醒对应subloop来执行Channel回调

std::unique_ptr<Channel> wakeupChannel_;

Thread 和 EventLoopThread

c++11线程封装以及 one loop per thread 的封装

EventLoopThreadPool

getNextLoop() 以RR方式获取下一个 subLoop

Socket

Acceptor

特殊的TcpConnection? 封装listenfd相关操作如bind 和 listen，在baseLoop中进行检测。

Buffer

参考Netty的实现， prendable, readerindex, writerindex

TcpConnection

封装成功建立连接的connfd，一个connfd唯一对应一个TcpConnection ，关键成员有：Socket对象、Channel对象、发送和接受缓冲区；

TcpConnection 对Channel各种事件回调的设置

TcpServer

关键成员有：Acceptor、 EventLoopThreadPool、 std::unordered_map<std::string, TcpConnectionPtr>connections_

重点总结

应用技术

C++11、 Socket、 Reactor模型、多线程、epoll

项目描述

在对源码剖析的同时也针对Muduo网络库进行基于C++11的重新实现，保留关键部分，使其不用依赖boost库就可以实现主要功能。

此项目是一个基于Muduo库和C++11的高性能网络库，能够让用户实现稳定、可靠、高性能、高并发的服务器应用程序

主要工作

采用 multi-Reactors 和 one loop per thread + nonblocking IO的网络模型实现IO处理和业务处理的分离；
对C++11线程类进行封装实现 one loop per thread的一对一绑定关系；
使用C++11特性取代boost库在muduo中的使用，如shared_ptr、bind、atomic等
使用eventfd()来实现 mainLoop 对 subLoop的线程间通知操作，相比于使用任务队列需要加锁降低了开销

项目核心逻辑介绍

我自己对Muduo库网络部分核心做了一个总结

在这里插入图片描述

Muduo库采用one loop per thread + nonblocking IO网络模型，在mainLoop中关注listenfd的读事件，并且将该listenfd封装成一个特殊的 TcpConnection 类即 Acceptor ，因为其读事件的处理是调用 accept 建立连接，并且将连接发送到一个subLoop上，选择subLoop的方法采用轮询的方法。

EventLoop模块

首先是最重要的Reactor模块，在Muduo库中也就是EventLoop 类的，其中主要的功能负责调度和分发网络事件即调用 epoll_wait 监视fd 感兴趣的事件，并执行对应的回调函数，在Muduo中将这一个逻辑流程进行面向对象的拆解，将epoll_wait 封装到 EPollPoller中，将fd 以及其感兴趣的事件和对应回调封装到Channel中。EventLoop 负责 Channel 和 Poller的通信，EventLoop::loop() 调用 Poller进行检测事件，当有事件到来，再通过EventLoop调用 Channel中由TcpConnection和用户设置的相应事件回调。

eventfd()

注意到这里每一个Loop 与其构造时的线程一一对应，在subLoop初始化时，会自动创建一个 eventfd()来供mainLoop唤醒它本身，这样就不需要使用生产者消费者队列来管理任务，从而避免subLoop争抢任务而要将队列加锁带来的开销。

缓冲区Buffer

非阻塞网络编程中应用层buffer是必须的：非阻塞IO的核心思想是避免阻塞在read()或write()或其他I/O系统调用上，这样可以最大限度复用thread-of-control，让一个线程能服务于多个socket连接。I/O线程只能阻塞在IO-multiplexing函数上，如select()/poll()/epoll_wait()。这样一来，应用层的缓冲是必须的，每个TCP socket都要有inputBuffer和outputBuffer。TcpConnection必须有output buffer：使程序在write()操作上不会产生阻塞，当write()操作后，操作系统一次性没有发送完时，网络库把剩余数据则放入outputBuffer中，然后注册POLLOUT事件，一旦socket变得可写，则立刻调用write()进行写入数据。即将应用层buffer数据拷贝到操作系统buffer。
TcpConnection必须有input buffer：当发送方send数据后，接收方收到数据不一定是整个的数据，网络库在处理socket可读事件的时候，必须一次性把socket里的数据读完（加一个栈空间的数组用readv分散读），否则会反复触发POLLIN事件，造成busy-loop。所以muduo库为了应对数据不完整的情况，收到的数据先放到inputBuffer里。——操作系统buffer到应用层buffer。

muduo库 connfd 采用触发模式是LT，这样优点是

不会丢失数据或者消息
应用没有读取完数据，内核是会不断上报的
低延迟处理
每次读数据只需要一次系统调用；照顾了多个连接的公平性，不会因为某个连接上的数据量过大而影响其他连接处理消息
跨平台处理

像select一样可以跨平台使用

Muduo几大网络组件的抽象如下

在这里插入图片描述

项目多处使用C++11特性如原子变量实现无锁编程，以及智能指针对资源进行安全管理。

个人收获

能更加熟练地运用C++11新特性，如bind、智能指针和原子变量等语法，同时我对于one loop per thread + nonblocking IO网络模型的理解得到了提升。此外，在编码中对类的封装和设计的实践，让我对设计模式、基于事件驱动的编程方法以及事件回调有了更具体的认识。

遇到问题

原子变量未初始化

服务器没有启动监听Acceptor::listen，排查后发现

TcpServer::start() 中执行该函数的判断变量没有初始化，导致判断条件不成立，无法执行Acceptor::listen

即控制TcpServer::start()只执行一次的**原子变量started_**未初始化，数值为65538

accept问题

调用aceept处出错，错误码为 errno = 22

通过 perror查询发现是invalid argument,查阅资料后发现具体是因为

accept函数参数不合法
对返回的connfd没设置非阻塞，因为本项目是Reactor模型 one loop per thread + non-blocking IO

为了方便起见，不想再多写fcntl，于是采用accept4替代 accept

sockaddr_in addr;
socklen_t len = sizeof addr;
bzero(&addr, sizeof addr);
// sockfd是listen用
int connfd = ::accept4(sockfd_, (sockaddr*)&addr, &len, SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK);

杂项

ps -ef | grep testserver 查找程序对应的进程号

在这里插入图片描述

netstat -anpt 查看网络状态，如下表明./testserver在本机8888端口处于监听状态

在这里插入图片描述

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