[架构] ZeroMQ 深度探索（一）

序

最初认识 ZeroMQ 是被它的名号所吸引，最近在一个高性能中间件的项目中用到了 ZeroMQ，对这个号称“史上最快的消息队列”有了更深层次的了解。如果我们仅仅把 ZeroMQ 看作是一个消息队列，那就完全搞错了，ZeroMQ 是一套智能传输层协议，它不仅为开发者提供了强大的开发包，还包含了一套很棒的通信协议的实现，更值得一提是，它对分布式系统开发有着相当独到的见解，绝对值得我们好好学习。ZeroMQ 的最终目标是加入 Linux 内核，目前 ZeroMQ 已经出现在 YUM 中，相信 ZeroMQ 的未来会越来越美好！

ZeroMQ 特点介绍

1、支持高并发的异步 Socket 框架
2、协议比 TCP 更快、适用于大型集群和分布式计算
3、提供多种消息传递机制，如 inproc/IPC/TCP/multicast 等
4、内置丰富的组合模式，可用于简化大型分步式计算架构
5、提供异步 I/O 模式，适用于可扩展的多核应用开发
6、拥有活跃的开发者社区提供技术支持，发展相当迅速
7、支持超过 30 种的编程语言，如 C/C++/Java/.NET/Python/PHP 等
8、良好的跨平台性，支持多种 OS，如 Linux/Windows/OS X 等
9、拥有 iMatix 公司的商业级别支持，却是完全免费的

ZeroMQ 设计哲学

综合来说，ZeroMQ 的设计哲学在于“权衡”两字，其实 ZeroMQ 的名字就体现了这一点。“Zero”表示从零开始，也就是从无到有；ZeroMQ 不提供现成的安装套件（比如broker），这也意味着使用者必须自己来构建需要的套件，这种做法各有利弊；“利”在于使用者可以自由的构造属于自己的分布式系统，而“弊”则在于门槛比较高，对于不熟悉编程的使用者来说就麻烦大了。不过，相比与通过功能迭代来实现复杂需求的方案来说，ZeroMQ 更倾向于从根本上解决问题，这也正体现了 ZeroMQ 创始人 Pieter Hintjens 的设计哲学。

ZeroMQ 面向用户

ZeroMQ 是为那些对大型分布式系统感兴趣的开发者们而生的！假如你熟悉 C 语言，那么使用 ZeroMQ 将是件非常享受的事情，因为 ZeroMQ 开发包中已经包含了非常丰富的 C 语言的使用范例，有经验的开发者可以快速入手。使用 ZeroMQ 可以为我们节省下大量的编码时间，当然在此之前，我们需要把 ZeroMQ 的基础知识和用法理解透彻，否则误用或者错用的话，后果将是“很严重”的！接下来，我们开始学习 ZeroMQ 的基础知识。

ZeroMQ 学前必读

ZeroMQ 究竟是什么？也许我们应该先“大肆吹嘘”一番，但这显然是毫无意义的，也不是我们技术人员的本色。简单来说，ZeroMQ 是一个更小、更快、更简单的智能传输层协议，它可以帮助我们简化原本非常复杂的事情，实际上，这也就是当初设计 ZeroMQ 时的初衷。

今天，我们的世界变得越来越复杂，我们使用的软件也在随着人类社会的变化而演变。可以预见到的是，未来的软件系统将会变得越来越庞大，就像人类的大脑一样，错综复杂；这个时候，我们必须得把问题分解开来，逐个击破，否则，软件最终只能变成可怕的巨兽，把一切都搞砸。分而治之，讲的就是这个道理，这也就是我们需要分布式系统的原因。

在分布式系统中，代码之间需要通信，此时我们就必须使用网络、协议、线程这些工具来实现；然而，现实情况是，即使我们已经拥有了这些工具，但实现起来仍然非常费功夫。目前业界可用的网络协议比较有限，比如 TCP/UDP/HTTP/Websocket 等；这些协议要么太复杂，要么太笨重，也许我们会抱怨道，难道没有其他的选择了吗？ZeroMQ 是否会是我们期待的答案？下面，让我们回到两个最基本的问题上，一是如何实现代码之间需要通信，二是如何让通信变得更简单高效。

ZeroMQ HelloWorld

接下来，我们先从一个最简单的例子，即 HelloWorld 项目讲起。这就是网络请求中最基本的“请求-响应”模式（Request-Reply），客户端往服务端发送“Hello”，服务端回应“World”，如图1-1。



以下是 HelloWorld 项目的服务端代码（hwserver.c），熟悉 Socket 编程的同学应该很容易理解其中的语法，即使用 TCP 协议，监听 5555 端口，然后不停地接受、打印并返回信息，每次处理后停止 1 秒。

// Hello World server

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main (void)
{
    // Socket to talk to clients
    void *context = zmq_ctx_new ();
    void *responder = zmq_socket (context, ZMQ_REP);
    int rc = zmq_bind (responder, "tcp://*:5555");
    assert (rc == 0);

    while (1) {
        char buffer [10];
        zmq_recv (responder, buffer, 10, 0);
        printf ("Received Hello\n");
        zmq_send (responder, "World", 5, 0);
        sleep (1); // Do some 'work'
    }
    return 0;
}

以下是 HelloWorld 项目的客户端代码（hwclient.c），逻辑也很简单，向服务端连续发送 10 条消息，接受并打印返回信息。

// Hello World client
#include 
#include 
#include 
#include 

int main (void)
{
    printf ("Connecting to hello world server…\n");
    void *context = zmq_ctx_new ();
    void *requester = zmq_socket (context, ZMQ_REQ);
    zmq_connect (requester, "tcp://localhost:5555");

    int request_nbr;
    for (request_nbr = 0; request_nbr != 10; request_nbr++) {
        char buffer [10];
        printf ("Sending Hello %d…\n", request_nbr);
        zmq_send (requester, "Hello", 5, 0);
        zmq_recv (requester, buffer, 10, 0);
        printf ("Received World %d\n", request_nbr);
    }
    zmq_close (requester);
    zmq_ctx_destroy (context);
    return 0;
}

服务端代码的运行结果如图1-2。



客户端代码的运行结果如图1-3。



运行结果很容易理解，这就是一个标准的“请求-响应”模式的例子。从中我们可以看到使用 ZeroMQ 的类库实现起来还是很简单的，和基础 Socket 库的用法差不多，实现的功能也差不了多少，但是事实是否如此呢？在下一篇《 ZeroMQ 深度探索（二）》中我们将深入讨论这个问题，未完待续...

TIP：建议大家使用 3.2 以上的版本进行开发。以后所有的的例子都是基于 C 语言的。所有的示例代码可以通过“git clone --depth=1 git://github.com/imatix/zguide.git”获取。