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服務器編程基本框架
雖然服務器程序種類繁多,但其基本框架都一樣,不同之處在于邏輯處理。
I/O 處理單元是服務器管理客戶連接的模塊。它通常要完成以下工作:等待并接受新的客戶連接,接收客戶數(shù)據(jù),將服務器響應數(shù)據(jù)返回給客戶端。但是數(shù)據(jù)的收發(fā)不一定在 I/O 處理單元中執(zhí)行,也可能在邏輯單元中執(zhí)行,具體在何處執(zhí)行取決于事件處理模式。
一個邏輯單元通常是一個進程或線程。它分析并處理客戶數(shù)據(jù),然后將結果傳遞給 I/O 處理單元或者直接發(fā)送給客戶端(具體使用哪種方式取決于事件處理模式)。服務器通常擁有多個邏輯單元,以實現(xiàn)對多個客戶任務的并發(fā)處理。
網(wǎng)絡存儲單元可以是數(shù)據(jù)庫、緩存和文件,但不是必須的。
請求隊列是各單元之間的通信方式的抽象。I/O 處理單元接收到客戶請求時,需要以某種方式通知一個邏輯單元來處理該請求。同樣,多個邏輯單元同時訪問一個存儲單元時,也需要采用某種機制來協(xié)調處理競態(tài)條件。請求隊列通常被實現(xiàn)為池的一部分。
兩種高效的事件處理模式
服務器程序通常需要處理三類事件:I/O 事件、信號及定時事件。有兩種高效的事件處理模式:Reactor和 Proactor,同步 I/O 模型通常用于實現(xiàn) Reactor 模式,異步 I/O 模型通常用于實現(xiàn) Proactor 模式。
Reactor
要求主線程(I/O處理單元)只負責監(jiān)聽文件描述符上是否有事件發(fā)生,有的話就立即將該事件通知工作線程(邏輯單元),將 socket 可讀可寫事件放入請求隊列,交給工作線程處理。除此之外,主線程不做任何其他實質性的工作。讀寫數(shù)據(jù),接受新的連接,以及處理客戶請求均在工作線程中完成。
使用同步 I/O(以 epoll_wait 為例)實現(xiàn)的 Reactor 模式的工作流程是:
1. 主線程往 epoll 內核事件表中注冊 socket 上的讀就緒事件。
2. 主線程調用 epoll_wait 等待 socket 上有數(shù)據(jù)可讀。
3. 當 socket 上有數(shù)據(jù)可讀時, epoll_wait 通知主線程。主線程則將 socket 可讀事件放入請求隊列。
4. 睡眠在請求隊列上的某個工作線程被喚醒,它從 socket 讀取數(shù)據(jù),并處理客戶請求,然后往 epoll內核事件表中注冊該 socket 上的寫就緒事件。
5. 當主線程調用 epoll_wait 等待 socket 可寫。
6. 當 socket 可寫時,epoll_wait 通知主線程。主線程將 socket 可寫事件放入請求隊列。
7. 睡眠在請求隊列上的某個工作線程被喚醒,它往 socket 上寫入服務器處理客戶請求的結果。
Proactor
Proactor 模式將所有 I/O 操作都交給主線程和內核來處理(進行讀、寫),工作線程僅僅負責業(yè)務邏輯。使用異步 I/O 模型(以 aio_read 和 aio_write 為例)實現(xiàn)的 Proactor 模式的工作流程是:
1. 主線程調用 aio_read 函數(shù)向內核注冊 socket 上的讀完成事件,并告訴內核用戶讀緩沖區(qū)的位置,以及讀操作完成時如何通知應用程序(這里以信號為例)。
2. 主線程繼續(xù)處理其他邏輯。
3. 當 socket 上的數(shù)據(jù)被讀入用戶緩沖區(qū)后,內核將向應用程序發(fā)送一個信號,以通知應用程序數(shù)據(jù)已經(jīng)可用。
4. 應用程序預先定義好的信號處理函數(shù)選擇一個工作線程來處理客戶請求。工作線程處理完客戶請求后,調用 aio_write 函數(shù)向內核注冊 socket 上的寫完成事件,并告訴內核用戶寫緩沖區(qū)的位置,以及寫操作完成時如何通知應用程序。
5. 主線程繼續(xù)處理其他邏輯。
6. 當用戶緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)被寫入 socket 之后,內核將向應用程序發(fā)送一個信號,以通知應用程序數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢。
7. 應用程序預先定義好的信號處理函數(shù)選擇一個工作線程來做善后處理,比如決定是否關閉 socket。
模擬 Proactor 模式
使用同步 I/O 方式模擬出 Proactor 模式。原理是:主線程執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫操作,讀寫完成之后,主線程向工作線程通知這一”完成事件“。那么從工作線程的角度來看,它們就直接獲得了數(shù)據(jù)讀寫的結果,接下來要做的只是對讀寫的結果進行邏輯處理。
使用同步 I/O 模型(以 epoll_wait為例)模擬出的 Proactor 模式的工作流程如下:
1. 主線程往 epoll 內核事件表中注冊 socket 上的讀就緒事件。
2. 主線程調用 epoll_wait 等待 socket 上有數(shù)據(jù)可讀。
3. 當 socket 上有數(shù)據(jù)可讀時,epoll_wait 通知主線程。主線程從 socket 循環(huán)讀取數(shù)據(jù),直到?jīng)]有更多數(shù)據(jù)可讀,然后將讀取到的數(shù)據(jù)封裝成一個請求對象并插入請求隊列。
4. 睡眠在請求隊列上的某個工作線程被喚醒,它獲得請求對象并處理客戶請求,然后往 epoll 內核事件表中注冊 socket 上的寫就緒事件。
5. 主線程調用 epoll_wait 等待 socket 可寫。
6. 當 socket 可寫時,epoll_wait 通知主線程。主線程往 socket 上寫入服務器處理客戶請求的結果。