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C++基础：muduo库学习记录

article 2024/12/1 4:21:32

2024/11/26-2024/11/2 ：
记录一下在自己学习muduo库时对一些概念的理解和实现。
reference:
[1]C++Muduo网络库：简介及使用
[2]Linux-C网络编程之epoll函数
[3]Linux平台下muduo网络库源码编译安装

一、基础概念

1.1 阻塞 or 非阻塞同步 or 异步

从IO角度来看这几个概念，可以从recv这个函数入手。

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

详细的参数介绍就此略过。总之，recv函数或者说几乎所有IO系统调用做的事情我们可以将其分为两个阶段，一个是数据准备，一个是进行数据读写。

阻塞和非阻塞在数据准备状态起作用，表现出的状态是阻塞当前线程 or 直接返回；
而同步和异步则决定着数据读写的方式，在同步中，数据的读写由执行指令的线程本身从头到尾完成，耗费的是当前线程的执行时间，而异步意味着将数据的读写交给其他线程处理，自己去执行其他命令，不增加本线程的执行时间，并与线程进行完成任务后通信方式的约定。可以类比一下DMA技术的思想。
两两组合便有4种：

同步阻塞（blocking IO 模型）：
数据准备阶段查看接收缓冲区，无数据或者数据没发完则阻塞等待，数据发完则接收数据并返回，数据读写由本进程执行。
同步非阻塞（non-blocking IO 模型）：
recv工作在非阻塞状态下时，不管缓冲区是否有数据、数据是否完整都会立即返回，通过返回值来判断是否拿到数据，通常需要轮询执行。数据读写由本进程执行。
异步阻塞：
将事务递交给操作系统或者其他线程完成，自己也同时阻塞等待完成信号。没有存在的必要，效率过低，只有理论上存在这种模型。
异步非阻塞（异步模型）：
线程将读写缓冲区的事务操作系统或者其他线程来操作，自己去执行别的任务，执行任务者使用信号或者回调函数通知进程传输完成，注意通知的方式需要提前约定。这种IO方式效率较高，需要操作系统给予支持，实现真正意义上的异步，可以将数据准备和读写操作都由另外的线程完成。但是，这种方式的编程比较复杂，出错调试也最麻烦。

1.2 IO模型

除了上面四种组合方式包括的三种IO模型，另有两种IO模型：

IO 复用模型：
IO复用模型中，进程在select/poll/epoll等函数处阻塞并等待返回可读套接字，之后根据返回套接字的不同自己进行数据的读写，因此这同样也是一种同步的模型，通常需要轮询执行。至于该模型的数据准备阶段是否阻塞，则取决于函数的具体参数和设置，但通常使用非阻塞方式。之后的数据读写同步阻塞。
信号驱动模型：
应用进程注册信号处理程序，立即得到返回的信号状态后进程继续执行，直到得到数据处理完成的信号——这是一个异步的过程，而信号通知机制避免了轮询查询操作，提高了效率。

注意信号驱动和IO 复用只是在数据准备阶段有所区别，之后的数据读写系统调用依然是一个同步阻塞的过程。
信号驱动跟异步模型的区别是，信号驱动在数据准备阶段结束时便返回信号，让主进程自己进行数据读写，而异步模型在数据读写后返回信号。

二、muduo库的简单使用

2.1muduo 网络库简述

muduo 网络库为用户提供了两个主要的类：

TcpServer：用于编写服务器程序。
TcpClient：用于编写客户端程序。

muduo 基于 epoll 事件驱动模型，并结合线程池机制，能够高效地处理网络 I/O 操作。epoll + 线程池的优势使其能够把线程池IO的代码和业务代码区分开，让我们可以只负责编写连接和断开和用户的读写事件相关的函数（即下文setConnectionCallback和setMessageCallback函数）。

muduo的使用则比较模板化，如上所说，我们只需要关注网络连接的处理（相当于处理epoll中的listenfd事件）以及业务处理相关代码，具体如下：

/*
 * 基于muduo网络库开发服务器程序
 * 1.组合TcpServer对象
 * 2.创建EventLoop事件循环对象的指针
 * 3.明确TcpServer构造函数需要什么参数，输出ChatServer的构造函数
 * 4.在当前服务器类的构造函数中，注册处理连接的回调函数和处理IO事件的回调函数
 * 5.设置合适的服务端线程数量，muduo库会自己分配IO线程和worker线程
 */
 
// 基于事件驱动的IO复用服务器
class ChatServer {
public:
    ChatServer(EventLoop* loop,                 // 事件循环
               const InetAddress& listenAddr,   // IP + port
               const string& nameArg)           // 服务器的名字
               :_server(loop, listenAddr, nameArg)
               ,_loop(loop) {
        // 给服务器注册用户连接的创建和断开回调
        _server.setConnectionCallback(bind(&ChatServer::onConnection, this, _1));

        // 给服务器注册用户读写事件回调
        _server.setMessageCallback(bind(&ChatServer::onMessage, this, _1, _2, _3));

        // 设置服务器端的线程数量  muduo库自动分配：1个IO线程  4个worker线程
        _server.setThreadNum(5);
    }

    // 开启事件循环
    void start() {
        _server.start();
    }
private:
    // 专门处理用户连接的创建和断开epoll listen accept
    void onConnection(const TcpConnectionPtr &conn) {
        if (conn->connected()) {
            cout << conn->peerAddress().toIpPort() << "->" <<
            conn->localAddress().toIpPort() << "state:online" << endl;
        }
        else {
            cout << conn->peerAddress().toIpPort() << "->" <<
            conn->localAddress().toIpPort() << "state:offline" << endl;
            conn->shutdown();   // close(fd);
            // _loop->quit();   // 退出epoll
        }


    }
    void onMessage(const TcpConnectionPtr &conn,    // 连接
                   Buffer *buffer,                  // 缓冲区
                   Timestamp time) {                // 接收到数据的时间信息
        string buf = buffer->retrieveAllAsString();
        cout << "recv data: " << buf << " time: " << time.toString() << endl;
        conn->send(buf);
        // 可以根据用户发送的buffer中的信息来定制不同的业务处理
    }
    TcpServer _server;  // #1
    EventLoop *_loop;   // #2 epoll
};

int main() {
    EventLoop loop; // epoll
    InetAddress addr("127.0.0.1", 6000);
    ChatServer server(&loop, addr, "ChatServer");

    server.start(); // listen 和 epoll_ctl 添加到 epoll上
    loop.loop();    // epoll_wait——以阻塞方式等待新用户连接，已连接用户的读写事件等

    return 0;
}