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socket模型

2024-09-03 03:02:48   219人阅读

服务器程序，简单的说就是接收网络数据，处理后并返回结果数据。网络模块是其必不可少的部分，它本质上就是处理socket的五类事件:accept(客户端接入),connect(连接上服务器),read,write和error。socket接口有两种工作模式，一种是阻塞模式，一种是非阻塞模式。阻塞模式通常不会用，因为它有两个弊端：一是会阻塞线程，要想处理多个连接就必须要一个连接一个线程，这样线程开销大且复杂度高;二是read时，如果对端链路异常了，协议栈无法正常得到关闭通知，那么就永远阻塞住了。非阻塞模式现今有两类：一类是同步事件分离器，以select,epoll为代表;一类是异步io,以iocp为代表。在非阻塞模式的实践上，通常会使用reactor和proactor这两种设计模式。

涉及的系统接口

技术分享

 

 

reactor

reactor由资源、事件处理器、资源管理器、调度器和同步事件分离器构成。资源是抽象出的能产生某些事件的对象，资源的种类表示着reactor功能的数量，在本文特指socket。事件处理器是资源产生事件时执行的函数。资源管理器是资源和事件处理器的容器。调度器是一个过程，调用同步事件分离器检测多个资源产生的事件，然后唤醒对应的事件处理器。同步事件分离器就是select,epoll等系统函数。reactor基于事件循环(调度器不断执行),能以单线程同步检测处理多路socket的事件。其输入就是资源和事件处理器，其输出为唤醒事件处理器。libev就是典型的实现。

其优点为：

  • 单线程处理多路socket,规范了一套处理流程。

其缺点为：

  • 使用者的知识度没有减少，需要自己进行accept,read,write和错误判断。
  • 假设为单线程环境，接口都不是线程安全的，在多线程项目中用起来不是很平滑。(与模式无关，libev等实现的缺陷)

proactor

它由资源、请求、请求完成处理器、资源管理器、调度器和异步处理器构成。资源同reactor。请求是对资源的实际操作，如read,write,accept,每个请求对应于一个异步处理器,请求不会立刻执行，而是先缓存在请求队列中，由调度器统一处理。请求完成处理器是请求完成后的回调函数。资源管理器是资源、请求和请求完成处理器的容器。调度器也是一个过程，从资源管理器中取出请求，调用相应的异步处理器，在异步处理完毕后调用请求完成处理器。异步处理器为操作系统提供的异步操作函数，如iocp，或者用线程去模拟。它也是基于事件循环，能以单线程并发处理多路socket的事件。其输入为资源和请求，其输出为请求完成通知。libuv就是典型的实现。

其优点为：

  • 单线程处理多路socket,规范了一套处理流程。
  • 在操作系统支持真异步处理器时，有并发性。
  • 使用者所需知识度低，不需要了解实际的事件处理。

其缺点为：

  • 假设为单线程环境，接口都不是线程安全的，在多线程项目中用起来不是很平滑。(与模式无关，libuv等实现的缺陷)

 

reactor和proactor的区别


reactor侧重的是告诉使用者a资源发生了b事件，怎么处理你看着办吧。proactor侧重的是告诉使用者，主人你对a资源进行的b请求完成了。以做软件项目为例子，在reactor时，它就是老板，你就是程序员，某天它对你下达一个开发x软件的任务，然后你就去调研需求，设计编码;在proactor时，它就是程序员，你就是老板，某天你对它下达一个开发x软件的任务，它开发完毕后告诉你，老板，x软件开发完毕。

从实现细节来看，reactor就是缺少异步处理器，如果内部为每种事件提供一个异步处理器，将输入的事件侦听变为提交请求，那么reactor就变为proactor了。

 

更好的proactor

我希望所有的请求操作都是线程安全的，请求完成通知不是通过回调函数由内部发起，而是转化为一条消息，由外部主动获取。这样能更好的整合到项目中。它的接口是这样的：

 1 #ifndef SSOCKET_H
 2 #define SSOCKET_H
 3 
 4 #define    SS_MSG_ACCEPT 1 //客户端连接消息
 5 #define SS_MSG_OPEN 2 //连接服务器成功消息
 6 #define SS_MSG_DATA 3 //数据消息
 7 #define SS_MSG_CLOSE 4 //对方断开消息
 8 #define SS_MSG_ERROR 5 //错误消息，发生时，socket已经断开
 9 #define SS_MSG_FILE 6 //文件发送成功消息
10 
11 struct ss_message{
12     int type;
13     int id;
14     void *ud;
15     int size; //在type = SS_MSG_ACCEPT时，size为客户端的id;在SS_MSG_DATA时，size为data的大小
16 
17     //在SS_MSG_DATA时,data为数据;在SS_MSG_ACCEPT时,data为ip地址字符串;在SS_MSG_ERROR时，data为错误消息;在SS_MSG_FILE时,data为文件路径;
18     //SS_MSG_DATA,SS_MSG_ACCEPT,SS_MSG_FILE,data需要外部释放
19     char *data;
20 };
21 
22 int ss_init();
23 //获取一条网络消息，return >0有消息
24 int ss_poll(struct ss_message *m);
25 
26 //以下接口都是线程安全的
27 int ss_listen(const char *addr,int port,int bks,void *ud);
28 int ss_connect(const char *addr,int port,void *ud);
29 void ss_close(int id);
30 void ss_bind(int id,void *ud);
31 void ss_start(int id);
32 void ss_send(int id,char *data,int n);
33 int ss_send_file(int id,const char *path);
34 
35 #endif

socket句柄不暴露给外部，而是暴露内部的id，内部的id可以映射到实际的socket句柄，这样做更安全，通过id，内部可以检测该socket是否有效。

由外部循环调用ss_poll来获取请求完成通知。

ss_bind可以为id绑定一个用户数据，该id的请求完成消息里会带上该用户数据。

ss_start用于开始accept,read这些持续性请求，而不需要一次一次发起。

ss_send将要发送的数据送入id的发送队列，内部会保证有序的发送出去。

ss_send_file:因为内部有发送队列要缓存数据，所以并不适合文件这种大数据量的需求，该接口会使用sendfile要处理文件发送，从而避免缓存文件数据。

ss_close在关闭时会保证发送队列已经全部发送，否则不会关闭socket.

具体的实现放在github上。

在服务器程序上使用


多线程的服务器程序通常是这样的结构：

技术分享

网关用于提供入口点，会收到所有的socket消息，在accept时会创建一个agent,此后该socket的消息就会发送到该agent。agent负责解码网络数据，分解出一个个协议包，然后调用协议包处理器处理该包，再将处理的结果编码为协议包发送到该socket。因为proactor是单线程的，为了并发，一般有两种方式：

  1. agent解码出协议包后，用线程池来执行包处理逻辑。
  2. agent缓存住网络数据，由线程池来调度agent,以一定的频率来进行解码、包处理。

网关和agent的作用是隔离网络层，进行网络协议和内部协议的转换。agent除了转换协议，还可以保存中间状态，在有状态的协议中，agent和socket是一一配对的。在无状态的协议中，所有的socket可以共用一个agent。

 

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