简单模仿下muduo网络库的封装

一、基础socket编程

网络编程的底层离不开socket，其处理流程表示如下：

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

struct sockaddr_in serv_addr;
bzero(&serv_addr, sizeof(serv_addr));
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
serv_addr.sin_port = htons(8888);

bind(sockfd, (sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

listen(sockfd, SOMAXCONN);

struct sockaddr_in clnt_addr;
socklen_t clnt_addr_len = sizeof(clnt_addr);
bzero(&clnt_addr, sizeof(clnt_addr));

int clnt_sockfd = accept(sockfd, (sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_len);

当然，目前常用的服务器架构都离不开epoll的帮助，其常用处理逻辑如下：

int epfd = epoll_create(0);
while(1){
	int nfds = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1);
	for(int i = 0; i < nfds; ++i){
		// solve...
	}
}

上述的做法显然是一种C语言的处理方式，并且所有逻辑都放在一起处理，这容易使得我们的程序越来越庞大和臃肿。此时我们需要对程序进行模块化，每一个模块专门处理一个任务，这样可以增加程序的可读性，也可以写出更大庞大、功能更加复杂的程序。

本文主要仿照muduo网络库的底层封装，设计一个烂大街的echo服务器。

二、抽象与层次

2.1 InetAddress封装

新建立服务器时通常要有绑定协议类型、IP、端口等固定操作，采用InetAddress类进行封装。

class InetAddress {  
public:
    InetAddress() = default;
    InetAddress(const char *ip, uint16_t port);
    ~InetAddress() = default;

    void SetInetAddr(sockaddr_in _addr);
    struct sockaddr_in GetAddr();
    const char* GetIp();
    uint16_t GetPort();

private:
    struct sockaddr_in addr_;
};

这样在后面使用时只需要下面一条语句即可：

InetAddress *addr = new InetAddress("127.0.0.1", 8888);

2.2 Socket封装

socket封装的原因主要在于socke、listen、bind等固定且繁琐操作，于是采用Socket类来进行封装。

class Socket {
private:
    int fd_;

public:
    Socket();
    explicit Socket(int);
    ~Socket();

    void Bind(InetAddress *addr);
    void Listen();
    void Setnonblocking();
    bool IsNonBlocking();

    void Setreuseaddr();
    void Setreuseport();
    int Accept(InetAddress *addr);

    void Connect(InetAddress *addr);
    void Connect(const char *ip, uint16_t port);

    int GetFd();
};

这样我们只需要这样使用即可：

sock_ = new Socket();
sock_->Setreuseaddr();
sock_->Setreuseport();
sock_->Bind(addr);
sock_->Listen();

2.3 Epoll封装

epoll的使用同样离不开几个固定的套路，从epoll_create、epoll_ctl到epoll_wait，我们采用以下方法来封装：

class Epoll {
public:
    Epoll();
    ~Epoll();
    
    void UpdateChannel(Channel * ch);
    void DeleteChannel(Channel * ch);

    std::vector<Channel*> Poll(int timeout = -1);

private:
    int epfd_;
    struct epoll_event *events_;
};

2.4 Channel封装

2.3中主要对epoll的一些操作进行封装，而后续在建立一个新连接时，我们需要将其添加到红黑树中，后续当该连接上发生事件时，我们需要使用不同的处理方式来应对，于是乎，我们采用了一个Channel类，每个Chanel只会对一个fd负责，对不同的事件类型设置不同的处理逻辑。

class Channel {
public:
    Channel(EventLoop *_loop, int _fd);
    ~Channel();

    void HandleEvent();
    void EnableRead();

    int GetFd();
    uint32_t GetListenEvents();
    uint32_t GetReadyEvents();
    bool GetInEpoll();
    void SetInEpoll(bool _in = true);
    void UseET();

    void SetReadyEvents(uint32_t ev);
    void SetReadCallback(std::function<void()> const &cb);

private:
    EventLoop *loop_;
    int fd_;
    uint32_t listen_events_;
    uint32_t ready_events_;
    bool in_epoll_;
    std::function<void()> read_callback_;
    std::function<void()> write_callback_;
};

值得注意的是，我们采用function/bind的回调方法作为类和类之间沟通的方法，给每个不同的channel绑定不同的read/write方法，针对不同fd实现对应的处理逻辑，实例如下：

acceptChannel_ = new Channel(loop_, sock_->GetFd());
std::function<void()> cb = std::bind(&Acceptor::AcceptConnection, this);
acceptChannel_->SetReadCallback(cb);
acceptChannel_->EnableRead();

2.5 Acceptor封装

对于每个客户，首先需要做的事都是调用accept()函数接受这个TCP连接，然后将socket文件描述符添加到epoll，当这个IO口有事件发生的时候，再对此TCP连接提供相应的服务。因此，我们可以添加一个Acceptor类，该类拥有一个独特的accept fd，也通过一个独有的Channel负责分发到epoll，该Channel的事件处理函数read_callback_()会调用Acceptor中的接受连接函数AcceptConnection()来新建一个TCP连接。

class Acceptor{
public:
    explicit Acceptor(EventLoop *loop);
    ~Acceptor();

    void AcceptConnection();
    void SetNewConnectionCallback(std::function<void(Socket*)> const &cb);

private:
    EventLoop *loop_;
    Socket *sock_;
    Channel *acceptChannel_;
    std::function<void(Socket*)> newConnectionCallback_;
};

在Acceptor类中使用的newConnectionCallback_回调则是用来处理新建立的TCP连接的，在其他类中写好回调逻辑即可通过void SetNewConnectionCallback(std::function const &cb)完成目的。

2.6 Connection封装

在2.5节中，我们将accept抽象出来封装成了一个类，在accept后得到的一个新的TCP连接，该连接在四次挥手前将一直存在，于是我们也将一个TCP连接也浅浅的抽象封装一下。

class Connection{
public:
    Connection(EventLoop *loop, Socket *sock);
    ~Connection();

    void Read();
    void Write();

    void SetDeleteConnectionCallback(std::function<void(Socket *)> const &callback);
    void SetOnConnectCallback(std::function<void(Connection *)> const &callback);
    void Close();
    void SetSendBuffer(const char *str);
    Buffer *GetReadBuffer();
    const char *ReadBuffer();
    Buffer *GetSendBuffer();
    const char *SendBuffer();
    void GetlineSendBuffer();
    Socket *GetSocket();

    void OnConnect(std::function<void()> fn);

private:
    EventLoop *loop_;
    Socket *sock_;
    Channel *channel_;
    State state_;
    Buffer *readBuffer_;
    Buffer *writeBuffer_;
    
    std::function<void(Socket *)> deleteConnectionCallback_;
    std::function<void(Connection *)> onConnectCallback_;

    void ReadNonBlocking();
    void WriteNonBlocking();
    void ReadBlocking();
    void WriteBlocking();
};

其中，deleteConnectionCallback_与onConnectCallback_两个回调函数则是用于每个连接的释放和业务处理，在TCP连接建立时通过SetDeleteConnectionCallback()与SetOnConnectCallback()进行设置。

2.7 Threadpool封装

在服务器设计中，线程池一定是最重要的模块之一，当某个连接上有事件触发时，我们直接将其丢给工作线程去处理，这能够很大程度上提高服务器的性能。

class Threadpool
{
private:
    std::vector<std::thread> threads_;
    std::queue<std::function<void()>> tasks_;
    std::mutex tasks_mtx_;
    std::condition_variable cv_;
    bool stop_;

public:
    explicit Threadpool(int size = std::thread::hardware_concurrency());
    ~Threadpool();

    template<class F, class... Args>
    auto Add(F&& f, Args&&... args) -> std::future<typename std::result_of<F(Args...)>::type>;

};

template<class F, class... Args>
auto Threadpool::Add(F&& f, Args&&... args) -> std::future<typename std::result_of<F(Args...)>::type> {
    using return_type = typename std::result_of<F(Args...)>::type;

    auto task = std::make_shared< std::packaged_task<return_type()> >(
            std::bind(std::forward<F>(f), std::forward<Args>(args)...)
        );
    std::future<return_type> res = task->get_future();
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(tasks_mtx_);

        // don't allow enqueueing after stopping the pool
        if(stop_)
            throw std::runtime_error("enqueue on stopped ThreadPool");

        tasks_.emplace([task](){ (*task)(); });
    }
    cv_.notify_one();
    return res;
}

Threadpool::Threadpool(int size) : stop_(false){
    for(int i = 0; i < size; ++i){
        threads_.emplace_back(std::thread([this](){
            while(true){
                std::function<void()> task;
                {
                    std::unique_lock<std::mutex> lock(tasks_mtx_);
                    cv_.wait(lock, [this](){
                        return stop_ || !tasks_.empty();
                    });
                    if(stop_ && tasks_.empty()) return;
                    task = tasks_.front();
                    tasks_.pop();
                }
                task();
            }
        }));
    }
}

Threadpool::~Threadpool(){
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(tasks_mtx_);
        stop_ = true;
    }
    cv_.notify_all();
    for(std::thread &th : threads_){
        if(th.joinable())
            th.join();
    }
}

上述封装的线程池使用右值移动、完美转发等阻止拷贝，另外使用add函数前不需要手动绑定参数，而是直接传递，并且可以得到任务的返回值。

2.8 Eventloop封装

上述类实际上都是对一些底层设置以及抽象流程的封装，但目前服务器是一个顺序的处理结构，当我们的服务器结构越来越庞大、功能越来越复杂、模块越来越多，这种顺序程序设计的思想显然是不能满足需求的。由此引入了两种服务器的开发模式，Reactor和Proactor模式。

本文的服务器模式为Reactor模式，同时给出两种不同的reactor模式，下面以饭店案例来说明：

1、单reactor多线程，1个前台接待，多个服务员，接待员只负责接待。
2、主从reactor多线程，多个前台接待，多个服务员。

本节给出的时主从reactor模式，先来张图说明下：

也就是说，主reactor负责线程的accept，将得到的新连接交给其余的从reactor进行处理，代码如下:

class EventLoop {
public:
    EventLoop();
    ~EventLoop();

    void Loop();
    void UpdateChannel(Channel*);

private:
    Epoll *ep_;
    bool quit_;
};
void EventLoop::Loop(){
    while(!quit_){
    std::vector<Channel*> chs;
        chs = ep_->Poll();
        for(auto &it : chs) {
            it->HandleEvent();
        }
    }
}
// 实例如下：
acceptor_ = new Acceptor(mainReactor_);
int size = std::thread::hardware_concurrency();
thpool_ = new Threadpool(size);
for(int i = 0; i < size; ++i)
    subReactors_.push_back(new EventLoop());
for(int i = 0; i < size; ++i){
    std::function<void()> sub_loop = std::bind(&EventLoop::Loop, subReactors_[i]);
    thpool_->Add(std::move(sub_loop));
}

显然，每个reactor都是一个事件处理循环，主从循环都会一直从事着自己的本职工作。

2.9 TCPserver封装

综上所述，我们已经将服务器的核心类进行了封装，但是各个类的管理还是不太合理，这里我们又构造了一个TCPserver类，如下：

class TCPserver{
private:
    EventLoop *mainReactor_;
    Acceptor *acceptor_;
    std::map<int, Connection*> connections_;
    std::vector<EventLoop*> subReactors_;
    Threadpool *thpool_;
    std::function<void(Connection *)> onConnectCallback_;

public:
    explicit TCPserver(EventLoop* loop);
    ~TCPserver();

    void NewConnection(Socket *sock);
    void DeleteConnection(Socket *sock);
    void OnConnect(std::function<void(Connection *)> fn);
};

三、小结

本文主要尝试对muduo底层封装进行探究，很多地方可能理解的不是很到位，希望同学们谅解并指出问题所在哈！

完整代码：https://download.csdn.net/download/hjlogzw/85264548

参考博客：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/347779760
https://blog.csdn.net/mweibiao/article/details/79713698
https://blog.csdn.net/fengyuesong/article/details/122313500?spm=1001.2014.3001.5501