网络库的设计与实现

前言

距离第一次发布iocpframework已经三年多了，这期间这款基于windows的网络库经过多次的修改，已经和第一版有非常大的区别了，但是整体思想架构并没有改变，这得益于当初对下载调度器的认识--模块应该是可替换的，这也是后话了。

在阅读本文的时候，希望你能有以下的基础：

• 熟悉C++11 ，auto、decltype、lambda、type_traits、move等
• 熟悉Windows的网络编程、IOCP模型（IOCP仅仅是个异步队列 blocking queue，当然不止一个队列）

如果你符合以下描述，那么恭喜你，本文就是为你而写的：

• 追求自由，热爱自由
• 对网络proactor IO模型细枝末节摸棱两可
• 对IOCP机制感到非常模糊及细节难以把握
• 对C++充满热爱与激情

如果您具有以下特征之一，那么本文可能会给你带来不适，请谅解：

• 披着C++外衣的Cer
• 反模板联盟
• 反感自造轮子

iocpframework的github地址：https://github.com/chenyu2202863/iocpframework/

换句话说，我所走的弯路，你一样得走（哈哈，被坑了），我所路过的捷径，也希望会成为你的捷径。祝你好运。需要C++11编译期支持，至少VS2012 CTP补丁才能编译

 

一个迷你的服务器

设置好监听端口，启动。等待accept事件，针对session投递读请求，等待读事件，返回写数据。麻雀虽小五脏俱全，再来看看其中涉及到的设计思考及实现细节。

 

网络库应该提供的功能：

1. 3个半事件，详情请参考陈硕的《网络编程本质论》
2. 可扩展的内存分配方式
3. 对网络错误处理
4. 异步、同步IO

网络库避免限制的决策：

1. 对session集中式管理
2. 对接收缓冲区与发送缓冲区的强制
3. 需要做到协议无关

正如《UNIX编程艺术》所说：提供机制，而不是策略

与第一版的变化：

1. 性能大幅度提高
2. 接口更加灵活
3. 增加socket pool
4. 增加zero copy机制
5. 增加timewheel
6. 改用WinVista以后API，不支持WinXP

 

库结构

 

设计实现剖析

一、service部分

dispatcher

类似于asio的io_service,同时提供线程池，负责数据的调度。

这里，采用的是GetQueuedCompletionStatusEx，支持同时多个回调事件的处理，而且发生的错误信息是由OVERLAPPED_ENTRY里的Internal字段提供的，这个是文档里没有告诉我们的。这样来处理，可以不用那么麻烦的判断GetQueuedCompletionStatusEx及GetLastError的返回值的组合。

async_result

这是提供给socket、file、timer与dispacther交互的粘合曾，负责生命期的处理

定制了std::unique_ptr的释放方法，完成我们的RAII方式来管理资源。

async_callback_base_t是一个基类，抽象出调用接口及释放资源的接口

dispatcher通过call调用，把指针转换为async_callback_base_ptr，然后通过基类指针p调用invoke，invoke只关心错误信息与事件回调时的数据大小（就是read、write所实际产生的大小），再来看看实际干活的async_callback

持有外部传入的Handler和一个Allcoator,Handler就是用户所关心的callback,Allocator负责对象的分配释放.每当向系统投递一个异步请求的时候,就会make_async_callback,把handler、allocator传入win_async_callback_t里持有。这里就是简单的动多态与静多态的一个结合案例。就这样，通过async_callback_base就把dispatcher与file、socket、timer分离。所以说，计算机界的问题都可以引入一个间接层来解决。

再来看看zero-copy机制的设计实现

首先，基于C++11提供的move语义和fsocket支持非连续性内存的写入（WSASend支持多个WSABUF）。其次，需要在编译期推导传入需要写入数据的类型及个数，这会影响到WSABUF数组的个数。

把callback handler及parameters打包到param_t对象中，param_t根据参数，编译期推导出不同数据类型的个数

buffers接口就在完成填充std::array::value>

在这里，为了能支持用户对zero_copy的扩展，可以去特化 ，默认支持了原生类型、用户POD类型及vector、string，比如string的特化版本如下

arg_size是这个类型对需要占用几个WSABUF，因为string需要一个长度和内容，所以这里arg_size = 2。

二、network部分

两个问题

1. server分几层设计实现，每一层干什么事情？
2. 对外暴露的server接口提供哪几个？

我的看法是，server分两层。第一层负责socket的连接断开、socket的生命期管理（当然不需要进入一个容器，采用锁机制，这是很笨拙的方式）、数据收发方式。第二层负责buffer缓冲区处理，及协议相关处理，同时需要负责心跳的活。来看开始给出的迷你服务器原型

一个服务器，首先应该考虑的是错误信息的处理。在这里，error_handler_t就是错误信息的处理回调函数，在这里还需要考虑接收到数据包后，返回给上层，所以也需要一个数据包处理回调。

register_callback提供注册socket连接与断开的接口，有些场景是不关心这两个事件的，所以这两个接口需要单独设置，我们的server现在就差start(port)了。

在这一层中，提供了心跳管理，接收缓冲区（发送缓冲区不需要管理，因为我们的库提供了zero copy机制及用户保证buffer生命期两种方式）。

对于timewheel，大家可以去参考陈硕这篇文章，非常棒！《用timewheel踢掉空闲》。

multi_buffer_decode_t是一个解码器，针对recv_buffer_里的数据进行decode，然后返回到用户设置的callback里。

再看看提供session管理及连接、断开处理的server层。在这一层需要有两个抽象，一个session、一个server。session负责socket的持有、收发动作、错误处理。server负责session的连接及创建。具体请查看源码，这里介绍下socket的连接处理及socket pool

利用了WSAEventSelect来检测是否需要投递socket，通过socket pool来获取可用的socket，因为socket的创建是很占系统资源的。关于object pool的文章，前一篇讲过。

使用socket pool需要注意的是，必须使用DiseconnectEx，而这个系统的回调不是立马返回，而是需要在能正确断开连接后才返回，微软给出的时间默认是4分钟，也就是TIME_WAIT的时间。所以需要复用的socket需要在session析构的时候才放回到pool里

在这里，使用了一个技巧，当session需要关闭的时候，取消掉已经投递的请求

session的生命期管理采用的是陈硕提供的方式，shared_ptr、enable_shared_from_this。自己管理自己，这样就避免了一个容器，避免了锁竞争。如下

更多的细节请到源码里找吧。

与ASIO对比

	asio	iocpframework
跨平台	可	目前仅支持windows
性能	好	更好,需要数据支撑
IO模型	Proactor	Proactor
支持zero copy	否	支持
支持socket pool	否	支持
内存分配方式	链式hook	接口参数
其他方面	完胜	不是同一个目标定位,而且也是完败

 

未来的演化方向:

如果C++标准库加入网络库,估计这个库也就完蛋了.接下来会在performance\example\test进行更多的支持.接口也许会变

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