muduo网络库（1）：muduo库整体框架

〇、背景

0.1、本文背景

在学习陈硕《Linux多线程服务端编程：使用muduo C++网络库》muduo源代码的过程中，感觉代码架构较复杂：

• 一是和boost相关的内容比较多，对现代C++编程理念不了解的人，可能感觉莫名其妙。（关于“现代C++”点击此处）
• 二是muduo的源代码中，虽然不考虑可移植性，但还是划分了很多小的类（Channel、Socket、TcpConnection、Acceptor，不知道是不是参考了java中的概念），类之间大量通过boost::bind()注册回调函数，感觉比继承还要难理解。

本文的主要目的有两个：

• 一是从整体架构上分析muduo的源代码，让希望了解它的人能够快速入门。
• 二是在此基础上实现一个简化版的sim_muduo，让更多的人可以此为基础，更快捷的实践现代C++编程和Linux并发网络编程相关的技术。

0.2、代码背景

muduo是一个高质量的Reactor网络库，采用one loop per thread + thread pool架构实现，代码简洁，逻辑清晰，是学习网络编程的很好的典范。

muduo的代码分为两部分，base和net：

• base部分：实现一些基础功能，例如log, thread, threadpool, mutex, queue等，这些基础模块在后面网络库中很多地方都可以复用，base库的类相互之间耦合性较低，源码阅读起来并不困难，此处不做过多探究。
• net部分：使用base中的工具类实现更高层次的逻辑，网络编程无非是对socket和其使用的epoll/poll等进行封装，使其便于使用，屏蔽掉底层网络库的一些"坑", 在满足了基础的网络IO之后，就需要考虑高性能，高并发的问题。单个IO线程在面对大量请求时难免处理不过来，所以就需要结合多线程或者线程池，一个线程对应一个epoll进行网络IO，这样就可以充分利用硬件多核系统。从软硬两方面综合提升性能。net部分封装的较为彻底，对上层提供的接口简单易用，所以涉及复杂的内部处理，接下来就对其内部实现进行探究。

一、经典的服务器设计模式Reactor模式

大多数人学习Linux网络编程的起点可能都是从《UNP》开始的，书中描述的服务端程序架构基本上是：

一个大的while循环，程序阻塞在accept或poll函数上，等待被监控的socket描述符上出现预期的事件。事件到达后，accept或poll函数的阻塞解除，程序向下执行，根据socket描述符上出现的事件，执行read、write或错误处理。

整体架构如下：

muduo的软件架构采用的也是Reactor模式，只是整个模式被分成多个类，并且支持以线程池的方式实现多线程并发处理，所以显得有些复杂。整体架构如下图所示：

二、Muduo中几个主要的类

muduo是一个支持多线程编程的网络库，它封装了和Linux线程、网络socket相关的十几个API，支持客户端和服务端编程。这里先介绍和服务端编程编程相关的几个类对象。

1、TcpServer、Acceptor和EventLoop

TcpServer对象一般运行在用户代码的主线程，它的生命周期应该和用户服务器程序的生命周期一致。TcpServer对象基本上是用户代码和Muduo库之间的总界面。

• 它对内管理多个成员对象、创建线程池、将新建连接分发不同线程处理；
• 它对外为用户代码提供客户端连接建立、消息接收和发送的接口。

TcpServer中有三个主要的成员类，分别是：Acceptor，EventLoopThreadPool，EventLoop*。其中：

• Acceptor负责管理服务器的监听socket；
• EventLoopThreadPool用于创建和管理线程池；
• EventLoop*是一个指针，它指向一个用户代码中创建的EventLoop对象，为TcpServer专用，相当于是为主线程提供的Loop循环。
  （这里一直有个疑问：既然是给TcpServer专用，这个EventLoop对象为啥要在客户代码中创建，然后将对象指针传递给TcpServer，而不是像Acceptor那样放在TcpServer中自动创建）。
  
  在TcpServer的构造函数中，会自动创建并初始化Acceptor对象。其中，Acceptor对象的构造函数首先会创建一个用于服务器程序的监听socket描述符，并为其bind()服务器侧的IP地址和监听端口。另外，Acceptor对象还提供一个封装了listen() API的函数Acceptor::listen()。
  
  Acceptor::listen()函数在TcpServer::start()函数的最后一行被调用：
  
  当然，这里说调用可能并不准确，因为loop_->runInLoop()函数会判断：如果当前正在运行的线程就是loop_对象所属的线程，则直接执行 Acceptor::listen()函数，否则 Acceptor::listen()函数被封装成函数对象放入pendingFunctors_容器中，等待Loop_所属的线程运行时再被执行。（这里其实我也有点不理解，因为TcpServer中的loop_指向的就是用户代码中创建的EventLoop对象，难道有可能用户调用TcpServer::start()函数的线程与用户创建EventLoop对象的线程不是同一个线程？？？）
  

讲到此，可看到传统的服务器初始化部分（创建socket、bind端口和IP、启动监听listen）基本上就完成了。另外，这里还有两个很重要的细节。首先Acceptor内部管理了一个Socket对象（acceptSocket_）和一个Channel（acceptChannel_）对象。Socket对象封装了监听socket描述符，它向下封装了和socket相关的API接口。而Channel对象总是和Socket对象成对出现，它向上提供了一些回调函数的注册接口，这些回调函数用于处理socket描述符上出现的各种状态事件，例如：POLLIN、POLLOUT、POLLERR等等。

了解了Socket和Channel的关系以后，后面在分析TcpConnection这个类的时候，我们会发现，每个TcpConnection用于表示一个客户端的连接，所以TcpConnection类中也会有一对Socket和Channel成员。

再说第二个需要注意的细节：Acceptor还提供了一个函数void Acceptor::handleRead()，这个函数的主要作用有两个：

// 为了便于说明问题，这是简化后的代码
// 此函数中还有一个防止系统描述符耗尽的小技巧，这里没有展示，感兴趣的同学可参考陈硕的书自行了解
void Acceptor::handleRead() 
{
    int connfd = acceptSocket_.accept(&peerAddr);
    newConnectionCallback_(connfd, peerAddr);
}

代码的第一行最终会调用到系统API函数accept()，用于接收一个客户端的连接请求：

int connfd = acceptSocket_.accept(&peerAddr)；

第二行的newConnectionCallback_是一个回调函数指针，它指向TcpServer::newConnection()函数，用于处理接收到的连接请求：

newConnectionCallback_(connfd, peerAddr);

Acceptor::handleRead() 函数本身在Acceptor的构造函数中会被注册给acceptChannel_对象的readCallback_指针。当acceptSocket_（监听socket）描述符发现客户端的连接请求时，acceptChannel_对象的readCallback_就会被调用，即Acceptor::handleRead()函数被调用：

void Channel::handleEvent(Timestamp receiveTime)
{
    handleEventWithGuard(receiveTime);
}

void Channel::handleEventWithGuard(Timestamp receiveTime)
{
    if (revents_ & (POLLIN | POLLPRI | POLLRDHUP))
    {
        // acceptChannel对象的readCallback_指向Acceptor::handleRead()函数
        if (readCallback_) readCallback_(receiveTime);
    }
}

如果我前面的描述够清晰的话，看到这里，通过muduo库，从创建服务端监听socket到调用accept() API获取客户端连接请求的过程应该就比较清晰了。接下来需要分析的是newConnectionCallback_，也就是TcpServer::newConnection()函数如何创建并管理一个客户端连接。新建一条Tcp连接的整体函数调用如下所示：

// 为了便于说明问题，这是简化后的代码
void Acceptor::handleRead()
{
    int connfd = acceptSocket_.accept(&peerAddr);
    if (connfd >= 0)
    {
        if (newConnectionCallback_)
        {
            newConnectionCallback_(connfd, peerAddr); // 这里调用TcpServer::newConnection()函数
        }
    }
}

void TcpServer::newConnection(int sockfd, const InetAddress& peerAddr)
{
    // 从线程池中获取一个EventLoop（因为EventLoop对应一个线程），这里相当于获取了一个线程
    EventLoop* ioLoop = threadPool_->getNextLoop();

    // 为当前接收到的连接请求创建一个TcpConnection对象，将TcpConnection对象与分配的（ioLoop）线程绑定
    TcpConnectionPtr conn(new TcpConnection(ioLoop,connName, sockfd, localAddr, peerAddr));

    // 将（用户定义的）连接建立回调函数、消息接收回调函数注册到TcpConnection对象中
    // 由此可知TcpConnection才是muduo库对与网络连接的核心处理
    conn->setConnectionCallback(connectionCallback_);
    conn->setMessageCallback(messageCallback_);

    // 对于新建连接的socket描述符，还需要设置期望监控的事件（POLLIN | POLLPRI），
    // 并且将此socket描述符放入poll函数的监控描述符集合中，用于等待接收客户端从此连接上发送来的消息
    // 这些工作，都是由TcpConnection::connectEstablished函数完成。
    ioLoop->runInLoop(std::bind(&TcpConnection::connectEstablished, conn));
}

// 为了便于说明问题，这是简化后的代码
void TcpConnection::connectEstablished()
{
  channel_->enableReading(); // 将新建连接的Channel对象加入到POLLER轮询管理器

  // 此函数对应TcpServer::connectionCallback_,最终指向一个用户服务器定义的回调函数
  connectionCallback_(shared_from_this());
}

void Channel::enableReading() { events_ |= (POLLIN | POLLPRI); update(); }

void Channel::update(){ loop_->updateChannel(this);}

void EventLoop::updateChannel(Channel* channel){  poller_->updateChannel(channel); }

以上就是建立一条Tcp连接的大致流程，如果要删除Tcp连接，函数的调用流程如下：

void TcpConnection::handleClose()
{
    setState(kDisconnected);
    channel_->disableAll();

    TcpConnectionPtr guardThis(shared_from_this());
    connectionCallback_(guardThis); // 回调用户定义的连接处理函数
    // must be the last line
    closeCallback_(guardThis); // closeCallback_对应的函数是TcpServer::removeConnection()
}

void TcpServer::removeConnectionInLoop(const TcpConnectionPtr& conn)
{
    size_t n = connections_.erase(conn->name());
    ioLoop->queueInLoop(std::bind(&TcpConnection::connectDestroyed, conn));
}

void TcpConnection::connectDestroyed()
{
  if (state_ == kConnected)
  {
    setState(kDisconnected);
    channel_->disableAll();

    connectionCallback_(shared_from_this()); // 回调用户定义的连接处理函数
  }
  channel_->remove(); // 本连接对应的描述符不在需要监控，从poll中删除。
}

前面详细分析的TcpServer和Acceptor对象的结构和行为，并且大致了解了Socket、Channel和TcpConnection三者之间的关系，整个Muduo库中与Reactor模式相关的软件架构也就大致清楚了，最后再看看EventLoop这个类。muduo的对于并发处理采用的是one thread one loop方式，所以，每个线程都唯一对应一个EventLoop对象。

EventLoop中包含了两个比较重要的函数，首先是void EventLoop::loop()，它为每个工作线程提供了一个大的while循环，如下：

void EventLoop::loop()
{
    quit_ = false;
    while (!quit_)
    {
        // 轮询，得到发生状态变化的Channel对象集合
        poller_->poll(kPollTimeMs, &activeChannels_);

        // 遍历每个发生状态变化的Channel对象，执行对象的状态处理函数
        for (ChannelList::iterator it = activeChannels_.begin();
        it != activeChannels_.end(); ++it)
        {
            currentActiveChannel_ = *it;
            currentActiveChannel_->handleEvent(pollReturnTime_);
        }

        // 执行pendingFunctors_容器中由外部线程注入的函数对象
        doPendingFunctors();
    }
}

第二个重要的函数是void EventLoop::runInLoop(const Functor& cb)，此函数的作用是为外部线程提供接口，将函数注入到EventLoop所属的线程中执行：

void EventLoop::runInLoop(const Functor& cb)
{
    if (isInLoopThread())
    {
        cb();
    }
    else
    {
        queueInLoop(cb);
    }
}

void EventLoop::queueInLoop(const Functor& cb)
{
    {
        MutexLockGuard lock(mutex_);
        pendingFunctors_.push_back(cb);
    }

    if (!isInLoopThread() || callingPendingFunctors_)
    {
        wakeup();
    }
}

到此为止，服务器端创建并初始化监听socket描述符、轮询（poll()）并获取（accept()）监听socket描述符上的新建连接请求，为新建连接分配EventLoop工作线程的相关处理我们都已经分析了一遍。

接下来看看muduo库中和线程池管理器相关的三个类：

• EventLoopThread
• Thread
• EventLoopThreadPool

除主线程外，muduo库通过线程池管理器EventLoopThreadPool为每个线程创建一个EventLoopThread对象，每个EventLoopThread类中包含一个EventLoop对象指针（该对象建立在线程入口函数void EventLoopThread::threadFunc()的堆栈上，所以EventLoopThread中包含的EventLoop对象的生命周期应该和该线程相同）。另外，EventLoopThread类中还包含一个Thread类，它的作用主要是封装了和线程相关的系统API（例如：pthread_create()、pthread_detach()），总的看，这几个类的逻辑相对简单，就不深入分析了。