Reactor網絡模型核心思想探秘
在網絡編程系列文章中，我們實現了一個基于epoll的網絡框架，并在此基礎上開發了一個簡單的HTTP服務，在那個系列文章中我們使用了讀、寫兩個buffer將網絡IO和數據的讀寫進行了分離，它們之間的扭轉完全通過epoll事件通知，如果你認真研究過源碼，會發現，所有針對網絡IO的操作都是由事件觸發的。這種基于事件觸發的網絡模型通常我們叫做Reactor網絡模型。
由于網絡編程系列文章中代碼實現相對比較復雜，不太好講清楚。所以，我決定單獨出幾篇文章對那個系列文章進行一些拓展，主要涉及到網絡編程思想和性能測試。
這篇文章我們通過實現一個簡單的網絡框架，來說明Reactor網絡模型實現的一般思路，其本質思想和x-net項目基本上是一樣的，只是在代碼上做了非常大的精簡，理解起來會輕松很多。
首先，我們來看一段代碼
#include <sys/socket.h>
#include <errno.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/epoll.h>
int main() {
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(2048);
if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr))) {
perror("bind fail");
return -1;
}
listen(sockfd, 10);
printf("sock-fd:%d\n", sockfd);
int epfd = epoll_create(1);
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = sockfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);
struct epoll_event events[1024] = {0};
while(1) {
int nready = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1);
int i = 0;
for (i = 0; i < nready; i++) {
int connfd = events[i].data.fd;
if (events[i].events & EPOLLIN && sockfd == connfd) {
struct sockaddr_in clientaddr;
socklen_t len = sizeof(clientaddr);
int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
ev.data.fd = clientfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clientfd, &ev);
printf("clientfd: %d\n", clientfd);
} else if (events[i].events & EPOLLIN) {
char buffer[10] = {0};
int count = recv(connfd, buffer, 10, 0);
if (count == 0) {
printf("discounnect\n");
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, connfd, NULL);
close(i);
continue;
}
send(connfd, buffer, count, 0);
printf("clientfd: %d, count: %d, buffer: %s\n", connfd, count, buffer);
}
}
}
}熟悉epoll的人應該對上面的代碼比較熟悉，這段代碼的核心在下面的while主循環，如果是當前Server的Socket說明有新的連接進來，調用accept拿到客戶端的fd，將其放在epoll的events中，并注冊EPOLLIN事件，一般我們理解為可讀事件。
如果不是sockfd，說明是客戶端的fd可讀，我們將數據讀出來再原樣發送回去。
上面的代碼存在的主要問題在于，套接字的accept和讀寫操作我們是直接寫在主循環里了，這將會讓代碼的邏輯變得難以琢磨。
對于一個套接字，最直接的操作就是讀和寫。所以，最容易想到的就是將讀和寫分離開。為了實現讀和寫分離我們封裝兩個回調函數，如下：
int recv_callback(int fd, char *buffer, int size);
int send_callback(int fd, char *buffer, int size);你可以想一下，這兩個函數應該怎么寫？下面是根據原有的邏輯將讀和寫封裝在了recv_callback和send_callback兩個函數中，代碼如下：
int recv_callback(int fd, char *buffer, int size) {
int count = recv(fd, buffer, size, 0);
send_callback(fd, buffer, count, 0);
return count;
}
int send_callback(int fd, char *buffer, int size) {
int count = send(fd, buffer, size, 0);
return count;
}然后，在主循環中就可以這樣使用
int main() {
...
while(1) {
int nready = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1);
int i = 0;
for (i = 0; i < nready; i++) {
int connfd = events[i].data.fd;
if (events[i].events & EPOLLIN && sockfd == connfd) {
...
} else if (events[i].events & EPOLLIN) {
char buffer[10] = {0};
int count = recv_callback(fd, buffer, 10);
if (count == 0) {
printf("disconnect\\n");
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, connfd, NULL);
clise(i);
continue;
}
}
}
}
}雖然我們將讀和寫拆成了兩個方法，但讀和寫并沒有分離開，我們在recv_callback中每次收到數據之后調用send_callback將數據原樣又發回去，在這里我們希望recv_callback和send_callback各管各的互不干擾，比如像下面這樣
int recv_callback(int fd, char *buffer, int size) {
int count = recv(fd, buffer, size, 0);
return count;
}
int send_callback(int fd, char *buffer, int size) {
int count = send(fd, buffer, size, 0);
return count;
}但這樣明顯也是有問題的，在recv_callback中讀完了之后，如何發送數據呢？這里，我們可以想一下，圍繞著一個套接字都有哪些部分呢？是不是可以設計出一個類似字典的結構，這個字典的key對應的就是套接字，而value對應的就是圍繞套接字相關的各個組件。
我們將recv_callback和send_callback放在了一個conn_channel結構體中，并且設計了兩個buffer，一個用來讀數據，另一個用來發數據，conn_channel便是這個字典對應的value，代碼如下：
#define BUF_LEN 1024
typedef int(*callback)(int fd);
struct conn_channel {
int fd;
callback recv_call;
callback send_call;
char wbuf[BUF_LEN];
int wlen;
char rbuf[BUF_LEN];
int rlen;
};其中，fd表示的是當前客戶端套接字。然后我們定義一個數組來表示套接字到套接字value的映射關系，代碼如下：
struct conn_channel conn_map[1024] = {0};這樣，我們在主循環中，就可以像下面這樣，往conn_map中添加對應的套接字了，代碼如下：
int main() {
...
while(1) {
int nready = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1);
int i = 0;
for (i = 0; i < nready; i++) {
int connfd = events[i].data.fd;
if (events[i].events & EPOLLIN && sockfd == connfd) {
struct sockaddr_in clientaddr;
socklen_t len = sizeof(clientaddr);
int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = clientaddr;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clientfd, &ev);
conn_map[clientfd].fd = clientfd;
conn_map[clientfd].rlen = 0;
conn_map[clientfd].wlen = 0;
conn_map[clientfd].recv_call = recv_callback;
conn_map[clientfd].send_call = send_callback;
memset(conn_map[clientfd].rbuf, 0, BUF_LEN);
memset(conn_map[clientfd].wbuf, 0, BUF_LEN);
printf("clientfd:%d\\n", clientfd);
} else if (events[i].events & EPOLLIN) {
...
}
}
}
}在上面的代碼中，每當accept出來一個客戶端的套接字，我們就將它放到conn_map中，設置好讀寫buffer和回調函數。但如果你細心點會發現，recv_callback、send_callback和conn_channel中的回調函數簽名是不一樣的。所以，我們要調整一下這兩個函數的實現，調整之后代碼如下：
int recv_callback(int fd) {
int count = recv(fd, conn_map[fd].rbuf + conn_map[fd].rlen, BUF_LEN - conn_map[fd].rlen, 0);
// do something
memcpy(conn_map[fd].wbuf, conn_map[fd].rbuf, conn_map[fd].rlen);
conn_map[fd].wlen = conn_map[fd].rlen;
conn_map[fd].rlen = 0;
return count;
}
int send_callback(int fd) {
int count = send(fd, conn_map[fd].wbuffer, conn_map[fd].wlen, 0);
return count;
}因為有了conn_map，所以原來傳進來的buffer和size都不需要了，在conn_channel中已經有記錄了。所以只需要一個fd參數就可以了。我們在recv_callback中模擬了回復消息，強行將讀到的數據寫到了wbuffer中。這里補充一下，conn_channel中的rbuffer是用來從套接字中讀數據的，wbuffer表示的是將要發送到套接字的數據。
你可以試著把上面的代碼跑起來，然后你會發現，并沒有按我們的預期執行，send_callback中的send似乎沒有起作用。這是因為我們只是將數據從rbuffer寫到了wbuffer中，而send_callback并沒有機會調用。你可以想一想send_callback放在哪里調用比較合適呢？
在上面的例子中，顯然放在主循環中執行比較合適，在epoll中，EPOLLOUT表示可寫事件，我們可以利用這個事件。在recv_callback執行完之后我們注冊一個EPOLLOUT事件，然后在主循環中我們去監聽EPOLLOUT事件。這樣，當recv_callback將rbuffer的數據復制到wbuffer中之后，send_callback通過EPOLLOUT事件就可以在主循環中得以執行。
為了實現上面的效果我們要修改兩個地方，一個是recv_callback中我們要注冊一下EPOLLOUT事件，代碼如下：
int recv_callback(int fd) {
int count = recv(fd, conn_map[fd].rbuf + conn_map[fd].rlen, BUF_LEN - conn_map[fd].rlen, 0);
// do something
memcpy(conn_map[fd].wbuf, conn_map[fd].rbuf, conn_map[fd].rlen);
conn_map[fd].wlen = conn_map[fd].rlen;
conn_map[fd].rlen = 0;
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLOUT;
ev.data.fd = fd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev);
return count;
}我們在rbuf拷貝到wbuf之后，給當前fd注冊了EPOLLOUT事件，然后我們在主循環中要處理EPOLLOUT事件，代碼如下：
int main() {
...
while(1) {
int nready = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1);
int i = 0;
for (i = 0; i < nready; i++) {
int connfd = events[i].data.fd;
if (events[i].events & EPOLLIN && sockfd == connfd) {
struct sockaddr_in clientaddr;
socklen_t len = sizeof(clientaddr);
int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = clientaddr;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clientfd, &ev);
conn_map[clientfd].fd = clientfd;
conn_map[clientfd].rlen = 0;
conn_map[clientfd].wlen = 0;
conn_map[clientfd].recv_call = recv_callback;
conn_map[clientfd].send_call = send_callback;
memset(conn_map[clientfd].rbuf, 0, BUF_LEN);
memset(conn_map[clientfd].wbuf, 0, BUF_LEN);
printf("clientfd:%d\\n", clientfd);
} else if (events[i].events & EPOLLIN) {
int count = conn_map[connfd].recv_call(connfd);
printf("recv-count:%d\\n", count);
} else if (events[i].events & EPOLLOUT) { // 處理EPOLLOUT事件
int count = conn_map[connfd].send_call(connfd);
printf("send-count:%d\\n", count);
}
}
}
}要注意的是，epfd是在main函數中定義的，而我們在recv_callback中有使用，所以我們可以暫時將epfd聲明成一個全局變量，放在外面。
上面的代碼有一個問題，EPOLLOUT事件觸發之后你會發現再向當前fd發送數據，就沒響應了，這是因為epoll事件被我們修改了，為了解決這個問題我們可以在send_callback執行完之后再設置回去，如下：
int send_callback(int fd) {
int count = send(fd, conn_map[fd].wbuffer, conn_map[fd].wlen, 0);
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = fd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev);
return count;
}這樣，我們就將IO操作給屏蔽了，在主循環中我們只關注事件，不同的事件調用不同的回調函數。在對應的回調函數中只做自己該做的，做完之后注冊事件通知其它的回調函數。
但是，上面的代碼還不夠優雅，對于accept和讀事件來講在epoll中都是EPOLLIN事件，這兩個是不是可以合并在一起處理呢？答案是可以的，首先，我們要將accept相關的邏輯給拆出來，拆解之后的代碼如下：
int accept_callback(int fd) {
struct sockaddr_in clientaddr;
socklen_t len = sizeof(clientaddr);
int clientfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = clientaddr;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clientfd, &ev);
conn_map[clientfd].fd = clientfd;
conn_map[clientfd].rlen = 0;
conn_map[clientfd].wlen = 0;
conn_map[clientfd].recv_call = recv_callback;
conn_map[clientfd].send_call = send_callback;
memset(conn_map[clientfd].rbuf, 0, BUF_LEN);
memset(conn_map[clientfd].wbuf, 0, BUF_LEN);
return clientfd;
}我們發現，accept_callback和recv_callback以及send_callback的簽名是一樣的，這樣我們可以在conn_channel用一個union，將accept_callback也放到conn_channel中來。如下：
struct conn_channel {
int fd;
union {
callback accept_call;
callback recv_call;
} call_t;
callback send_call;
char wbuf[BUF_LEN];
int wlen;
char rbuf[BUF_LEN];
int rlen;
};在主循環中，我們就可以先給sockfd注冊好accept回調函數，然后我們只需要在主循環中保留兩個邏輯就可以了，代碼如下：
int main() {
int sockfd = create_serv(9000);
if (sockfd == -1) {
perror("create-server-fail");
return -1;
}
make_nonblocking(sockfd);
epfd = epoll_create1(1);
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = sockfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);
struct epoll_event events[1024] = {0};
conn_map[sockfd].rlen = 0;
conn_map[sockfd].wlen = 0;
conn_map[sockfd].fd = sockfd;
conn_map[sockfd].call_t.accept_call = accept_callback;
conn_map[sodkfd].send_call = send_callback;
memset(conn_map[sockfd].rbuf, 0, BUF_LEN);
memset(conn_map[sockfd].wbuf, 0, BUF_LEN);
while(1) {
int nready = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1);
int i = 0;
for (i = 0; i < nready; i++) {
int connfd = events[i].data.fd;
if (events[i].events & EPOLLIN) {
int count = conn_map[connfd].call_t.recv_call(connfd);
printf("recv-count:%d\\n", count);
} else if (events[i].events & EPOLLOUT) {
int count = conn_map[connfd].send_call(connfd);
printf("send-count:%d\\n", count);
}
}
}
}你可以想一下，我們注冊的是call_t.accept_call，但在調用的時候確是call_t.recv_call，為什么這樣可行？
我們在網絡編程系列文章中，單獨為accept抽象出了一個對象，你可以對比一下這兩種實現方式，看看它們有什么區別？在系列文件中我們為什么要單獨抽象出一個accepter對象呢？
可以看到，最后主循環中的邏輯，只有兩個分支，這兩個分支代表了兩種事件，這種通過事件驅動的網絡模型便是Reactor網絡模型。本文為了容易理解，將代碼進行了精簡。在實際的工程中我們還要考慮諸多情況。比如，上面的代碼只支持epoll，我們是不是可以將事件驅動相關的代碼抽象成單獨的組件，讓其可以支持其它的事件模型。
本文雖然代碼簡單，但Reactor網絡模型的實現基本上都逃脫不了這個套路，只是在此基礎上可能會將各個部分進行單獨的封裝，比如我們在網絡編程系列文章中就將channel和map進行了抽象，讓它能適配各種場景。
總結
reactor網絡模型是網絡編程中非常重要的一種編程思想，本文通過一個簡短的示例試圖講明白reactor網絡編程模型的核心思想。當然，本文的實現還不是很完善，比如在調用回調函數的時候還是傳入了fd，我們是否可以不需要這個參數，徹徹底底地和IO進行分離呢？
