Linux(muduo网络库):18---muduo简介之（muduo库的由来、编译安装、目录结构、代码结构、线程模型）

一、由来

• 2010年3月陈硕先生写了一篇《学之者生，用之者死——ACE历史与简评》（文章参阅：https://blog.csdn.net/Solstice/article/details/5364096），其中提到“我心目中理想的网络库”的样子：

  • 线程安全，原生支持多核多线程
  • 不考虑可移植性，不跨平台，只支持Linux，不支持Windows。 ·主要支持x86-64，兼顾IA32。（实际上muduo也可以运行在ARM 上）
  • 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。（实际上muduo也可以用在广 域网上）
  • 不考虑公网，只考虑内网。不为安全性做特别的增强
  • 只支持一种使用模式：非阻塞IO＋one event loop per thread，不支持阻塞IO
  • API简单易用，只暴露具体类和标准库里的类。API不使用nontrivial 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）
  • 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
  • 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，陈硕开始第三次尝试编写自己的C++网络库：
  • 与前两次不同，这次一开始就想好了库的名字，叫muduo（木铎）（这个名字的由来可以参阅陈硕的一篇访谈：http://www.oschina.net/question/28_61182）
  • 并在Google code上创建了项目：http://code.google.com/p/muduo
  • muduo以git为版本管理工具，托管于：http://github.com/chenshuo/muduo
  • muduo的主体内容在2010年5月底已经基本完成，8月底发布0.1.0版， 2012年11月的最新版本是0.8.2

为什么需要网络库？

• 使用Sockets API进行网络编程是很容易上手的一项技术，花半天时间读完一两篇网上教程，相信不难写出能相互连通的网络程序
• 例如下面这个网络服务端和客户端程序，它用Python实现了一个简单的“Hello”协议，客户端发来姓名，服务端返回问候语和服务器的当前时间

• 上面两个程序使用了全部主要的SocketsAPI，包括socket、 bind、listen、accept、connect、recv、send、close、 gethostbyname等，似乎网络编程一点也不难嘛
• 在同一台机器上运 行上面的服务端和客户端，结果不出意料：

• 但是连接同一局域网的另外一台服务器时，收到的数据是不完整的。错在哪里？

• 出现这种情况的原因是：高级语言（Java、Python等）的Sockets库并没有对Sockets API提供更高层的封装，直接用它编写网络程序很容易掉到陷阱里，因此我们需要一个好的网络库来降低开发难度。网络库的价值还在于能方便地处理并发连接（参阅后面的“详解muduo多线程模型”文章）

二、安装

• 安装注意事项：
  • muduo使用了Linux较新的系统调用（主要是timerfd和eventfd），要求Linux的内核版本大于2.6.28
  • 我自己用Debian 6.0 Squeeze / Ubuntu 10.04 LTS作为主要开发环境（内核版本2.6.32），以g++ 4.4为主要编译器版本，在32-bit和64-bit x86系统都编译测试通过
  • muduo在Fedora 13 和CentOS 6上也能正常编译运行，还有热心网友为Arch Linux编写了AUR文件（http://aur.archlinux.org/packages.php?ID=49251）
  • 如果要在较旧的Linux 2.6内核（例如Debian 5.0 Lenny、Ubuntu 8.04、CentOS 5等旧版本）上使用muduo，可以参考backport.diff来修改代码。不过这些系统上没有充分测试，仅仅是编译和冒烟测试通过
  • 另外muduo也可以运行在嵌入式系统中，我在Samsung S3C2440开 发板（ARM9）和Raspberry Pi（ARM11）上成功运行了muduo的多个示例。代码只需略作改动，请参考armlinux.diff
• 安装过程如下：

第一步（安装前准备）

• 第一步：muduo采用CMake为build system，CMake的安装如下：（CMake最好不低于2.8版，CentOS 6自带的2.6版也能用，但是无法自动识别Protobuf库）

sudo apt-get install cmake

sudo apt-get install g++

• 第二步：muduo依赖于Boost，Boost的安装如下

sudo apt-get install libboost-dev libboost-test-dev

•  第三步（可选）：muduo有三个非必须的依赖库（curl、c-ares DNS、Google Protobuf）。如果安装了这三个库，cmake会自动多编译一些示例。安装方法如下：

sudo apt-get install libcurl4-openssl-dev libc-ares-dev
sudo apt-get install protobuf-compiler libprotobuf-dev

 

第二步（编译、安装muduo）

• 第一步：下载muduo源码包

git clone https://github.com/chenshuo/muduo.git

 

• 第二步：编译muduo，命令如下：

# 下载完成之后进入muduo根目录
cd muduo

# 编译muduo库和它自带的例子
./build.sh -j2

• 编译完成之后：
  • 会在muduo源码根路径的上一级路径下生成一个build目录（下面全文我们以../build表示）
  • 生成的可执行文件位于：../build/release-cpp11/bin
  • 静态文件位于：../build/release-cpp11/lib

• 第三步：安装muduo库

./build.sh install

 

• 默认情况下：
  • muduo头文件安装在../build/release-install-cpp11/include目录下
  • 库文件安装在../build/release-install-cpp11/lib目录下
  • 以便muduo-protorpc和muduo-udns等库使用

第三步（测试）

• 编译完成之后我们可以试着运行编译的例子（位于../build/release-cpp11/bin/目录下），查看能够运行成功
• 此处我们以inspector_test为例：
  • （下图1）运行../build/release-cpp11/bin/inspector_test
  • （下图2）然后通过浏览器访问“192.168.0.101:12345”访问运行的服务器（其中192.168.0.101更换为你的Linux IP）
  • （下图3）或者输入“192.168.0.101:12345/proc/status”来访问该服务器的状态

三、编译带有muduo库的C/C++程序

• muduo是静态链接的C++程序库（因为在分布式系统中正确安全地发布动态库的成本很高）
• 编译带有muduo代码的程序，规则与命令如下：
  • 头文件：使用-I选项指出头文件路径（头文件路径就是上面muduo的头文件安装路径，文章划上去看）
  • 库文件：使用-L选项指出库文件路径（库文件路径就是上面muduo的库文件安装路径，文章划上去看）
  • 链接相应的静态库文件：-lmuduo_net、-lmuduo_base

g++ -o muduo_test muduo_test.c -I头文件路径 -L库文件路径 -lmuduo_net -lmuduo_base

• 陈硕先生的Github有一个项目展示了如何使用CMake和普通makefile编译基于muduo的程序，可参阅：https://github.com/chenshuo/muduo-tutorial

演示案例

• 待续

四、目录结构

• muduo命名规则：
  • 源代码文件名与class名相同
  • 例如ThreadPool class的定义是muduo/base/ThreadPool.h，其实现位于muduo/base/ThreadPool.cc
• muduo源码目录如下：

 

基础库

• muduo/base是一些基础库，都是用户可见的类。内容如下：

网络核心库

• muduo库代码结构：
  • muduo是基于Reactor模式的网络库，其核心是个事件循环EventLoop，用于相应计时器和IO事件
  • muduo采用基于对象（object-bases）而非面向对象（object-oriented）的设计风格
  • 其事件回调接口多以function+bind表达，用户在使用muduo的时候不需要继承其中的class
• 网络核心库位于muduo/net和muduo/net/poller：一共不到4300行代码，以下灰底表示用户不可见的内部类

网络附属库

• 网络库有一些附属模块，它们不是核心内容：
  • 在使用的时候需要链接相应的库，例如-lmuduo_http、-lmuduo_inspect等等
  • 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
• 附属模块位于muduo/net/{http,inspect,protorpc}等处

五、代码结构

头文件和库文件

• 对于muduo库而言，只需要掌握5个关键类：Buffer、EventLoop、TcpConnection、TcpClient、TcpServer
• muduo的头文件明确分为客户可见和客户不可见两类。下面是安装之后暴露的头文件和库文件

• 在上面我们安装的时候，安装方式为（以muduo源码根目录为基准）：
  • 头文件：安装在../build/release-install-cpp11/include目录下
  • 库文件：安装在../build/release-install-cpp11/lib目录下

• 下图是muduo的网络核心库的头文件包含关系：用户可见的为白底，用户不可见的为灰底：

• muduo头文件中使用了前向声明（forward declaration），大大简化了头文件之间的依赖关系：
  • 例如Accrptor.h、Channel.h、Connection.h、TcpConnection.h都前向声明了 EventLoop class，从而避免包含EventLoop.h
  • 另外， 前向声明了Connector class，从而避免将内部类暴露给用户
  • 类似的做法还有TcpServer.h用到的Acceptor和EventLoopThreadPool、EventLoop.h用到的Poller和TimerQueue、TcpConnection.h用到的Channel和Socket等等

公开接口

• 这里简单介绍各个class的作用，详细的介绍参见以后的文章
• 公开接口有：
  • Buffer仿Netty ChannelBuffer的buffer class，数据的读写通过buffer 进行。用户代码不需要调用read()/write()，只需要处理收到的数据和 准备好要发送的数据（详情参阅“muduo Buffer类的设计与使用”）
  • InetAddress封装IPv4地址（end point），注意，它不能解析域名， 只认IP地址。因为直接用gethostbyname()解析域名会阻塞IO线程
  • EventLoop事件循环（反应器Reactor），每个线程只能有一个 EventLoop实体，它负责IO和定时器事件的分派。它用eventfd()来异步唤醒，这有别于传统的用一对pipe()的办法。它用TimerQueue作为计时器管理，用Poller作为IO multiplexing
  • 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，注意它不能发起连接
  • 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管理（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
  • Buffer和InetAddress具有值语义，可以拷贝；其他class 都是对象语义，不可以拷贝

内部实现

• Channel是selectable IO channel，负责注册与响应IO事件，注意它 不拥有file descriptor。它是Acceptor、Connector、EventLoop、 TimerQueue、TcpConnection的成员，生命期由后者控制
• Socket是一个RAIIhandle，封装一个filedescriptor，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 class
• SocketsOps封装各种Sockets系统调用
• 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()和epoll()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(1)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。TimerQueue用std::map来管理Timer， 常用操作的复杂度是O(logN)，N为定时器数目。它是EventLoop的成 员，生命期由后者控制
• EventLoopThreadPool用于创建IO线程池，用于把TcpConnection分派到某个EventLoop线程上。它是TcpServer的成员，生命期由后者控制

• 下图是muduo的简化类图，Buffer是TcpConnection的成员：

六、例子

• muduo附带了十几个示例程序，编译出来有近百个可执行文件：
  • 这些例子位于examples目录，其中包括从Boost.Asio、Java Netty、Python Twisted等处移植过来的例子
  • 这些例子基本覆盖了常见的服务端网络编程功能点，从这些例子可以充分学习非阻塞网络编程

• 在上面我们编译muduo时，编程生成的可执行文件的路径为：../build/release-cpp11/bin

• 另外还有几个基于muduo的示例项目。由于License等原因没有放到 muduo发行版中，可以单独下载：
  • https://github.com/chenshuo/muduo-udns：基于UDNS的异步DNS解析
  • https://github.com/chenshuo/muduo-protorpc：新的RPC实现，自动管理对象生命期

七、线程模型

• muduo的线程模型为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（文件描述符）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：
  • 单线程，accept()与TcpConnection用同一个线程做IO
  • 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
• 后面还会以Sudoku服务器为例再次介绍muduo的多线程模型

八、总结

• muduo是陈硕先生对常见网络编程任务的总结，用它能很容易地编写多线程的TCP服务器和客户端
• muduo代码估计还有一些bug，功能也不完善，例如不支持signal处理（Signal也可以通过signalfd()融入EventLoop中，见https://github.com/chenshuo/muduo-protorpc中的zurg slave例子），待日后慢慢改进