【C/C++服务器开发】事件驱动、事件驱动架构、事件驱动编程及设计模式

一、事件驱动

首先我们来看看百度百科的介绍。

所谓事件驱动，简单地说就是你点什么按钮（即产生什么事件），电脑执行什么操作（即调用什么函数）.当然事件不仅限于用户的操作. 事件驱动的核心自然是事件。从事件角度说，事件驱动程序的基本结构是由一个事件收集器、一个事件发送器和一个事件处理器组成。事件收集器专门负责收集所有事件，包括来自用户的（如鼠标、键盘事件等）、来自硬件的（如时钟事件等）和来自软件的（如操作系统、应用程序本身等）。事件发送器负责将收集器收集到的事件分发到目标对象中。事件处理器做具体的事件响应工作，它往往要到实现阶段才完全确定，因而需要运用虚函数机制（函数名往往取为类似于HandleMsg的一个名字）。对于框架的使用者来说，他们能够看到的是事件处理器。这也是他们所关心的内容。

视图（即我们通常所说的“窗口”）是“事件驱动”应用程序的另一个要元。它是我们所说的事件发送器的目标对象。视图接受事件并能够对其进行处理。当我们将事件发送到具体的视图时，实际上我们完成了一个根本性的变化：从传统的流线型程序结构到事件触发方式的转变。这样应用程序具备相当的柔性，可以应付种种离散的、随机的事件。

由于Windows本身是基于“事件驱动”模型的。因而在Windows操作系统下实现应用程序框架有相当的便利。在事件驱动程序的基本单元中，事件收集器已经由Windows系统完成；事件发送器也已经由Windows完成了部分内容。之所以是部分而非完全是因为Windows是用C语言实现的，而不是C++。由于没有对象，Windows将事件发送到所谓的“窗口函数”中（尽管不是发送到具体的对象，但应该说这是面向对象方式实现的一个变体）。要感谢Windows做了这件事。确定事件的目标所要做的工作的复杂可能要超出我们的想象。

可以看到对于事件驱动来说，最重要的是一个事件收集器、一个事件发送器和一个事件处理器。

二、事件驱动编程

事件驱动和异步IO

通常，我们写服务器处理模型的程序时，有以下几种模型：
（1）每收到一个请求，创建一个新的进程，来处理该请求；
（2）每收到一个请求，创建一个新的线程，来处理该请求；
（3）每收到一个请求，放入一个事件列表，让主进程通过非阻塞I/O方式来处理请求
上面的几种方式，各有千秋，
第（1）中方法，由于创建新的进程的开销比较大，所以，会导致服务器性能比较差,但实现比较简单。
第（2）种方式，由于要涉及到线程的同步，有可能会面临死锁等问题。
第（3）种方式，在写应用程序代码时，逻辑比前面两种都复杂。
综合考虑各方面因素，一般普遍认为第（3）种方式是大多数网络服务器采用的方式

看图说话讲事件驱动模型

在UI编程中，常常要对鼠标点击进行相应，首先如何获得鼠标点击呢？
方式一：创建一个线程，该线程一直循环检测是否有鼠标点击，那么这个方式有以下几个缺点：

在UI编程中，常常要对鼠标点击进行相应，首先如何获得鼠标点击呢？
方式一：创建一个线程，该线程一直循环检测是否有鼠标点击，那么这个方式有以下几个缺点：

1. CPU资源浪费，可能鼠标点击的频率非常小，但是扫描线程还是会一直循环检测，这会造成很多的CPU资源浪费；如果扫描鼠标点击的接口是阻塞的呢？

2. 如果是堵塞的，又会出现下面这样的问题，如果我们不但要扫描鼠标点击，还要扫描键盘是否按下，由于扫描鼠标时被堵塞了，那么可能永远不会去扫描键盘；

3. 如果一个循环需要扫描的设备非常多，这又会引来响应时间的问题；
   所以，该方式是非常不好的。

方式二：就是事件驱动模型
目前大部分的UI编程都是事件驱动模型，如很多UI平台都会提供onClick()事件，这个事件就代表鼠标按下事件。事件驱动模型大体思路如下：

1. 有一个事件（消息）队列；

2. 鼠标按下时，往这个队列中增加一个点击事件（消息）；

3. 有个循环，不断从队列取出事件，根据不同的事件，调用不同的函数，如onClick()、onKeyDown()等；

4. 事件（消息）一般都各自保存各自的处理函数指针，这样，每个消息都有独立的处理函数；

事件驱动编程是一种编程范式，这里程序的执行流由外部事件来决定。它的特点是包含一个事件循环，当外部事件发生时使用回调机制来触发相应的处理。另外两种常见的编程范式是（单线程）同步以及多线程编程。

让我们用例子来比较和对比一下单线程、多线程以及事件驱动编程模型。下图展示了随着时间的推移，这三种模式下程序所做的工作。这个程序有3个任务需要完成，每个任务都在等待I/O操作时阻塞自身。阻塞在I/O操作上所花费的时间已经用灰色框标示出来了。

在单线程同步模型中，任务按照顺序执行。如果某个任务因为I/O而阻塞，其他所有的任务都必须等待，直到它完成之后它们才能依次执行。这种明确的执行顺序和串行化处理的行为是很容易推断得出的。如果任务之间并没有互相依赖的关系，但仍然需要互相等待的话这就使得程序不必要的降低了运行速度。

在多线程版本中，这3个任务分别在独立的线程中执行。这些线程由操作系统来管理，在多处理器系统上可以并行处理，或者在单处理器系统上交错执行。这使得当某个线程阻塞在某个资源的同时其他线程得以继续执行。与完成类似功能的同步程序相比，这种方式更有效率，但程序员必须写代码来保护共享资源，防止其被多个线程同时访问。多线程程序更加难以推断，因为这类程序不得不通过线程同步机制如锁、可重入函数、线程局部存储或者其他机制来处理线程安全问题，如果实现不当就会导致出现微妙且令人痛不欲生的bug。

在事件驱动版本的程序中，3个任务交错执行，但仍然在一个单独的线程控制中。当处理I/O或者其他昂贵的操作时，注册一个回调到事件循环中，然后当I/O操作完成时继续执行。回调描述了该如何处理某个事件。事件循环轮询所有的事件，当事件到来时将它们分配给等待处理事件的回调函数。这种方式让程序尽可能的得以执行而不需要用到额外的线程。事件驱动型程序比多线程程序更容易推断出行为，因为程序员不需要关心线程安全问题。

当我们面对如下的环境时，事件驱动模型通常是一个好的选择：

程序中有许多任务，而且…
任务之间高度独立（因此它们不需要互相通信，或者等待彼此）而且…
在等待事件到来时，某些任务会阻塞。
当应用程序需要在任务间共享可变的数据时，这也是一个不错的选择，因为这里不需要采用同步处理。

网络应用程序通常都有上述这些特点，这使得它们能够很好的契合事件驱动编程模型。

三、C/C++实现事件驱动

C/C++实现事件驱动，需要了解函数指针和回调等概念。

下面放一下之前写的相关的博客：

C语言注册机制原理及实现

C 语言跳转表的实现及在嵌入式设备中的应用

C语言回调函数详解（全网最全）

当然这些知识语言方面我们需要掌握的特性，要使用事件驱动编程，我们一般会使用事件驱动库。

四、常用的C/C++事件驱动库

因为一般事件驱动，都是针对的网络通信。

下面主要介绍一下libevent、libev、libuv。

Libevent、libev、libuv三个网络库，都是c语言实现的异步事件库Asynchronousevent library）。

异步事件库本质上是提供异步事件通知（Asynchronous Event Notification，AEN）的。异步事件通知机制就是根据发生的事件，调用相应的回调函数进行处理。

事件（Event）：事件是异步事件通知机制的核心，比如fd事件、超时事件、信号事件、定时器事件。有时候也称事件为事件处理器（EventHandler），这个名称更形象，因为Handler本身表示了包含处理所需数据（或数据的地址）和处理的方法（回调函数），更像是面向对象思想中的称谓。

事件循环（EventLoop）：等待并分发事件。事件循环用于管理事件。

对于应用程序来说，这些只是异步事件库提供的API，封装了异步事件库跟操作系统的交互，异步事件库会选择一种操作系统提供的机制来实现某一种事件，比如利用Unix/Linux平台的epoll机制实现网络IO事件，在同时存在多种机制可以利用时，异步事件库会采用最优机制。

技术对比：

1.libevent

C语言跨平台，应用最广泛，历史悠久的跨平台事件库。这是一个用纯C写的开源库，属于一个轻量级的网络中间件。其中用到的基本数据结构也是非常巧妙。展现反应堆模型的基本使用方法。不同的事件对应不容的处理方法。I/O 定时 信号。三种事件的处理单独分开，又通过事件驱动融合在一起。

优先级特性：激活的事件组织在优先级队列中，各类事件默认的优先级是相同的，可以通过设置事件的优先级使其优先被处理。

libevent在windows下支持iocp，但还不完善。

2.libev

设计更简练，性能更好，但因对Windows支持不够好。

优先级特性：激活的事件组织在优先级队列中，各类事件默认的优先级是相同的，可以通过设置事件的优先级使其优先被处理。

3.libuv

libuv是一个支持多平台的异步IO库。它主要是为了node.js而开发的。

优先级特性：没有优先级概念，按照固定的顺序访问各类事件。

因libuv为node.js定向开发，普遍应用性不好，且事件触发不可设定优先级，排除。

4.IOCP

IOCP是windows下IO事件处理的最高效的一种方式，结合OVERLAPPED IO可以实现真正的完全异步IO。不支持跨平台。

5.boost::asio

C++语言跨平台。用bind做回调也并不比虚函数好，看上去灵活了，代价却更高了。不光是运行时的内存和时间代价，编译时间也更长。基于ASIO开发应用，要求程序员熟悉函数对象，函数指针，熟悉boost库中的boost::bind，内存管理控制方面。

asio是一个高性能的网络开发库，Windows下使用IOCP，Linux下使用epoll。