Muduo 网络库源码分析 之 关键技术点总结

最近又把muduo网络库仔细研究了一遍，收获良多。本文将对muduo中的设计思想以及关键的技术细节进行总结和分析，当然由于篇幅的原因这里更多的是对关键技术的简略提及，具体细节还需要读者自己去查找学习资料。

muduo/base

• Date类 
  
  • 日期类的封装，使用Julian（儒略日）可以方便的计算日期差。具体公式和思想见 儒略日的计算
• Exception类 
  
  • 异常类的封装，对外提供what()输出错误信息和stacktrace()函数进行栈追踪，使用时需要throw muduo::Exception("oops");，外部使用catch (const muduo::Exception& ex) 捕获并使用ex.what()/stackTrace()获取详细信息。
• Atomic类 
  
  • 原子性操作比锁的开销小，所以我们可以使用gcc提供的自增自减原子操作；最小的执行单元是汇编语句，不是语言语句。
• CountDownLatch类 
  
  • 既可用于所有子线程等待主线程发起“起跑”，也可用于主线程等待子线程初始化完毕才开始工作。其中使用RAII技法封装MutextLockGuard，hodler表示锁属于哪一个线程。
• TimeStamp类 
  
  • TimeStamp 继承至less_than_comparable<>,使用模板元编程，只需要实现<，可自动实现>,<=,>=。

• BlockingQueue

  • BlockingQueue和BoundedBlockingQueue分别是*有界队列，本质上是生产者消费者问题，使用信号量或者条件变量解决。ThreadPool的本质也是生产者消费者问题，任务队列中是任务函数（生产者），线程队列就相当于消费者。基本流程如下图：

• 异步日志类

  • 对于一般的日志类的实现，(1) 重载<<格式化输出 (2)级别处理 (3)缓冲区。
  • 为了提高效率并防止阻塞业务线程，用一个背景线程负责收集日志消息，并写入日志文件，其他业务线程只管往这个日志线程发送日志消息，这称为异步日志。基本实现仍然是生产者（业务线程）与消费者（日志线程）和缓冲区，但是这样简单的模型会造成写文件操作比较频繁，因为每一次signal我们就需要进行写操作，将消息全部写入文件，效率较低。muduo使用多缓冲机制，即mutliple buffering，使用多个缓冲区，当一块缓冲区写满或者时间超时才signal；如果发生消息堆积，会丢弃只剩2块内存块。另外使用swap公共缓冲区来避免竞争，一次获得所有的消息并写入文件。 
    
• __type_traits技法 
  
  • StringPiece是google的一个高效字符串类，其中使用了__type_traits对不同类型进行了进一步优化。在STL中为了提供通用的操作而又不损失效率，traits就是通过定义一些结构体或者类，并利用模板给类型赋予一些特性，这些特性根据类型的不同而异。在程序设计中可以使用这些traits来判断一个类型的一些特性，实现同一种操作因类型不同而异的效果。可以参照 这篇文章了解。

muduo/net

• reactor

  • reactor+线程池适合CPU密集型，multiple reactors适合突发I/O型，一般一个千兆网口一个rector；multiple rectors（线程） + thread pool 更能适应突发I/O和密集计算。其中multiple reactors中的main reactor只注册OP_ACCEPT事件，并派发注册I/O事件到sub reactor上监听，多个sub reactor采用round-robin的机制分配。具体实现见EventLoopThread.

• TcpConnection

  • TcpConnection是对已连接套接字的抽象；Channnel是selectable IO channel，负责注册和响应IO事件，但并不拥有file descriptor， 
    Channel是Acceptor、Connector、EventLoop、TimerQueue、TcpConnection的成员，生命期由后者控制。
• TimerQueue类 
  
  • timers_和activeTimers_保存的是相同的数据，timers_是按到期时间排序，activeTimers_按照对象地址排序，并且timerQueue只关注最早 
    的那个定时器，所以当发生可读事件的时候，需要使用getExpired()获取所有的超时事件，因为可能有同一时刻的多个定时器。
• runInLoop 
  
  • runInLoop的实现：需要使用eventfd唤醒的两种情况 (1) 调用queueInLoop的线程不是当前IO线程。(2)是当前IO线程并且正在调用pendingFunctor。
• rvo优化 
  
  • C++的函数返回vector之类或者自定义类型可以避免产生额外的拷贝构造函数、析构函数开销，返璞归真。
• shared_from_this（） 
  
  • 获得自身对象的shared_ptr对象，直接强制转换会导致引用计数+1
• TcpConnection生命周期 
  
  • TcpConnection对象不能由removeConnection销毁，因为如果此时Channel中的handleEvent()还在执行的话，会造成core dump，我们使用shared_ptr管理引用计数为1，在Channel中维护一个weak_ptr(tie_)，将这个shared_ptr对象赋值给tie_，引用技术仍为1；当连接关闭，在handleEvent中将tie_提升，得到一个shared_ptr对象，引用计数就为2。
• Buffer类 
  
  • 自己设计的可变缓冲区，成员变量vector<char>、readIndex、writeIndex，同时处理粘包问题。Buffer::readFd()中的extraBuffer通过堆上和栈上空间的结合，避免了内存资源的巨额开销。先加入栈空间再扩充和直接扩充的区别就是明确知道多少数据，避免巨大的buffer浪费并且减少read系统调用。

muduo/examples

• chargen测试服务器的吞吐量；千兆网卡跑满大概100M/s(1000M/8),机械硬盘的读写速度也就差不多也是这样，固态硬盘可以达到500M/s。

• Filetransfer文件传输的时候，每次发送64k，然后再设置WriteCompleteCallback_再小块发送可以避免应用层缓冲区占用大量内存。

• chat 多人聊天室，mutex保护vector,多条消息不能并行发送，存在较高的锁竞争。优化一：使用shared_ptr实现 
  copy_on_write，通过建立副本，达到并行发送消息的目的。优化二：消息到达第一个客户端和最后一个客户端之间有延迟，可以放在自己的IO线程中发送。

• NTP网络时间同步

 Client   server
    |   |
T1  |   |  T2
    |   |  T3
T4  |   |               

RTT = （T4-T1）-（T3-T2）
clock offset = [(T4+T1)-(T2+T3)]/2 (自己加一个系数K，代表客户端与服务端的时间差,公式轻易推出)

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其他关键技术点

• volatile 
  
  • 防止编译器对代码进行优化，对于用这个关键字声明的变量，系统总是从它所在的内存读取数据，不会使用寄存器中的备份。在Atomic.h中使用。
• __thread 
  
  • __thread修饰的变量是线程局部存储的,仅限于POD类型和类的指针；非POD类型可以使用线程特定数据TSD。
• 单例模式 
  
  • 一个类只有一个实例，并提供一个访问他的全局访问点。(1)私有构造函数。(2)类定义中含有该类的静态私有对象。(3)静态公有函数获取 
    静态私有对象。
• 异步回调的理解 
  
  • 所谓的异步回调，主线程使用poll/epoll进行事件循环,事件包括各种IO时间和timerfd实现的定时器事件。没有事件发生时阻塞在poll/epoll处，有事件发生时会对activeChannel进行遍历调用其中的回调函数。至于定时器是使用硬件时钟中断实现的，与sleep这种软件阻塞不同。所以我们常说的通过写消息来唤醒线程的含义就是触发一个IO事件，使得poll/epoll解除阻塞，向下得以执行回调函数。
• CAS无锁操作 
  
  • CAS原语有三个参数，内存地址，期望值，新值。如果内存地址的值==期望值，表示该值未修改，此时可以修改成新值。否则表示修改失败，返回false。无锁队列的实现可参照CoolShell。
  • 注意无锁结构不一定比有锁结构更快，锁指令本身很简单，真正影响性能的是锁争用(Lock Contention)。当contention发生的时候，有锁的情况会陷入内核睡觉，无锁情况会不断spin，其中陷入内核睡觉是有开销的，这个开销当临界区很小的时候所占的比重就很大，这也就是lockfree在这种情况下性能提高很高的原因。lockfree的意义不在于绝对的高性能，他比mutex的有点是使用lockfree可以避免死锁/活锁，优先级翻转等问题，但是ABA problem、memory order等问题使得lockfree比mutex难实现得多。除非瓶颈已经确定，否则最好还是老老实实的使用mutex+condvar吧。
• 避免重复include多余头文件 
  
  • 在头文件中使用引用或者指针，而不是使用值的，使用前置声明，而不是直接包含他的头文件。
  • 使用impl手法，简单来说就是类里面包含类的指针，在cpp里面实现。
• (void)ret 
  
  • 防止编译警告，变量未使用（限于release版本中 int n = …; assert(n==6)）
• vim行首添加注释 
  
  • % 1,10s/^/#/g 在1-10行首添加#注释

参考资料

• muduo源码
• muduo使用手册
• 《linux多线程服务端编程》