muduo网络库源码复现笔记(十八):Reactor的关键结构

Muduo网络库简介

muduo 是一个基于 Reactor 模式的现代 C++ 网络库，作者陈硕。它采用非阻塞 IO 模型，基于事件驱动和回调，原生支持多核多线程，适合编写 Linux 服务端多线程网络应用程序。
muduo网络库的核心代码只有数千行，在网络编程技术学习的进阶阶段，muduo是一个非常值得学习的开源库。目前我也是刚刚开始学习这个网络库的源码，希望将这个学习过程记录下来。

Reactor的关键结构

Reacor的核心是事件分发机制，也就是将IO复用模型(poll/epoll)那里拿到的io事件分发给各文件描述符的事件处理函数。为了实现这个机制，我们需要编写Channel class和Poller class。下面说明一下这两个类。

1 Channel class

依据作者的介绍，Channel class的功能类似Java NIO的SelectableChannel和Selection-Key组合。Channel是为文件描述符fd服务的，它并不占有fd，亦不会在析构的时候关闭它。Channel只会属于一个EventLoop，也只属于一个IO线程。最后需要说明的是用户一般不会直接使用Channel，而回使用更上一层的封装。下面看一下Channel的代码

class Channel : boost::noncopyable
{
	public:
		typedef boost::function	EventCallback;
		typedef boost::function ReadEventCallback;
		
		Channel(EventLoop* loop,int fd);
		~Channel();

		void handleEvent(Timestamp receiveTime);
		void setReadCallback(const ReadEventCallback& cb)
		{ readCallback_ = cb;}
		void setWriteCallback(const EventCallback& cb)
		{ writeCallback_ = cb;}
		void setCloseCallback(const EventCallback& cb)
		{ closeCallback_ = cb;}
		void setErrorCallback(const EventCallback& cb)
		{ errorCallback_ = cb;}
	
		void tie(const boost::shared_ptr&);

		int fd() const {return fd_;}
		int events() const {return events_;}
		void set_revents(int revt) {revents_ = revt;}
		bool isNoneEvent() const {return events_ == kNoneEvent;}
	
		void enableReading() {events_ |= kReadEvent; update();}
		void enableWriting() {events_ |= kWriteEvent; update();}
		void disableReading() {events_ &= ~kReadEvent; update();}
		void disableWriting() {events_ &= ~kWriteEvent; update();}
		void disableAll() {events_ &= ~kNoneEvent; update();}
		bool isWriting() const {return events_ & kWriteEvent;}
		
		//for Poller
		int index() {return index_;}
		void  set_index(int idx) {index_ = idx;}

		//for debug
		string reventsToString() const;
		void doNotLogHup() {logHup_ = false;}
		EventLoop* ownerLoop() {return loop_;}
		void remove();
	
	private:
		void update();
		void handleEventWithGuard(Timestamp receiveTime);
		
		static const int kNoneEvent;
		static const int kReadEvent;
		static const int kWriteEvent;

		EventLoop* loop_;
		const int fd_;
		int events_;
		int revents_;
		int index_;
		bool logHup_;

		boost::weak_ptr tie_;
		bool tied_;
		bool eventHandling_;
		ReadEventCallback readCallback_;
		EventCallback writeCallback_;
		EventCallback closeCallback_;
		EventCallback errorCallback_;
};

1.1 数据成员

Channel的关键数据成员中，events_是它关心的IO事件，有用户设置。revents_是目前的活动事件，由EventLoop/Poller设置；而index_是channel所服务的fd所对应的struct pollfd数组的下标。而update函数会调用EventLoop的update函数，继而调用Poller的update函数。

1.2 handleEvent函数

这个函数由EventLoop::loop调用，它的功能是依据revents_的值分别调用不同的用户回调。

2 Poller类

Poller是一个抽象基类，这个类是IO复用模型的封装，后面会实现PollPoller(支持Poll)或者EpollPoller(支持Epoll)来继承它。看一下Poller的代码。

class Poller : boost::noncopyable
{
public:
	typedef std::vector ChannelList;
	
	Poller(EventLoop* loop);

	virtual ~Poller();

	virtual Timestamp poll(int timeoutMs,ChannelList* activeChannels) = 0;

	//changes the intrested I/O event
	virtual void updateChannel(Channel* channel) = 0;
	
	//remove the channel
	virtual void removeChannel(Channel* channel) = 0;

	static Poller* newDefaultPoller(EventLoop* loop);

	void assertInLoopThread()
	{
		ownerLoop_ -> assertInLoopThread();
	}
private:
	EventLoop* ownerLoop_; //the eventloop poller belongs to
};

Poller的虚函数poll完成Poller的核心功能：获取当前活动的IO事件，然后将其加入activeChannels。updateChannel和removeChannel分别用于将一个Channel对应的fd从struct pollfd数组中加入或去除。

2.1 PollPoller类

PollPoller类继承了Poller，使用poll函数实现IO复用。当前我们就使用PollPoller，后续会补充EpollPoller。PollPoller类的fillActiveChannels是找出有事件的fd，填入activeChannels。ChannelMap是文件描述符和Channel指针的一个map。

class PollPoller : public Poller
{
	public:
		PollPoller(EventLoop* loop);
		
		virtual ~PollPoller();
		
		virtual Timestamp poll(int timeoutMs,ChannelList* activeChannels);
		virtual void updateChannel(Channel* channel);
		virtual void removeChannel(Channel* channel);
	private:
		void fillActiveChannels(int numEvents,ChannelList* activeChannels) const;
		typedef std::vector PollFdList;
		typedef std::map ChannelMap; //key:fd,value:pointer of Channel
		PollFdList pollfds_;
		ChannelMap channels_;	
};

2.1.1updateChannel函数

这个函数的作用维护和更新pollfd_数组。它可以为数组增加文件描述符，也可以暂时忽略某文件描述符的事件或者重新关注它。注意在忽略文件描述符时，采用的方式时将它的文件描述符取反减一，可以帮助remove。(减1是为了文件描述符可能为0)。

void PollPoller::updateChannel(Channel* channel)
{
	Poller::assertInLoopThread();
	LOG_TRACE << "fd = " << channel -> fd() << " events = " << channel -> events();
	if(channel -> index() < 0)
	{
		//new channel,add to pollfds
		assert(channels_.find(channel ->fd()) == channels_.end());
		struct pollfd pfd;
		pfd.fd = channel -> fd();
		pfd.events = static_cast(channel -> events());
		pfd.revents = 0;
		pollfds_.push_back(pfd);
		int idx = static_cast(pollfds_.size()) - 1;
		channel -> set_index(idx);
		channels_[pfd.fd] = channel;
	}
	else
	{
		//update exsiting one
		assert(channels_.find(channel -> fd()) != channels_.end());
		assert(channels_[channel -> fd()] == channel);
		int idx = channel -> index();
		assert(0 <= idx && idx < static_cast(pollfds_.size()));
		struct pollfd& pfd = pollfds_[idx];
		assert(pfd.fd == channel -> fd() || pfd.fd == -channel -> fd() - 1);
		pfd.events = static_cast(channel -> events());
		pfd.revents = 0;
		if(channel -> isNoneEvent())
		{
			pfd.fd = -channel->fd() - 1;
		}
	}
}

2.1.2removeChannel函数

removeChannel函数复杂度为O(1)，它采用的方法是交换需要删除的Channel和数组中最后一位Channel，然后pop_back。

void PollPoller::removeChannel(Channel* channel)
{
	Poller::assertInLoopThread();
	LOG_TRACE << "fd = " << channel -> fd();
	assert(channels_.find(channel -> fd()) != channels_.end());
	assert(channels_[channel->fd()] == channel);
	assert(channel -> isNoneEvent());
	int idx = channel -> index();
	assert(0 <= idx && idx < static_cast(pollfds_.size()));
	const struct pollfd& pfd = pollfds_[idx]; (void) pfd;
	assert(pfd.fd == -channel -> fd() - 1 && pfd.events == channel -> events());
	size_t n = channels_.erase(channel -> fd());
	assert(n == 1);(void) n;
	if(implicit_cast(idx) == pollfds_.size() - 1)
	{
		pollfds_.pop_back();
	}
	else
	{
		int channelAtEnd = pollfds_.back().fd;
		iter_swap(pollfds_.begin() + idx,pollfds_.end() - 1);
		if(channelAtEnd < 0)
		{
			channelAtEnd = -channelAtEnd - 1;
		}
		channels_[channelAtEnd] -> set_index(idx);
		pollfds_.pop_back();
	}
}

小结

在我们完成上述两个类之后，Reactor的核心内容构造完毕。在EventLoop的loop函数中，我们利用Poller可以得到活跃的Channel，然后便可以分别处理这些活跃的Channel，如此循环。时序图如下：