Muduo 網(wǎng)絡(luò)編程示例之七：連接服務(wù)器及其自動(dòng)化測試
陳碩 (giantchen_AT_gmail)
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這是《Muduo 網(wǎng)絡(luò)編程示例》系列的第七篇文章。
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本文介紹如何使用 test harness 來測試一個(gè)具有內(nèi)部邏輯的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序。
本文的代碼見 http://code.google.com/p/muduo/source/browse/trunk/examples/multiplexer
下載地址：http://muduo.googlecode.com/files/muduo-0.2.0-alpha.tar.gz SHA1 checksum: 75a09a82f96b583004876e95105c679e64c95715
云風(fēng)在他的博客中提到了網(wǎng)游連接服務(wù)器的功能需求（搜“練手項(xiàng)目”），我用 C++ 初步實(shí)現(xiàn)了這些需求，并為之編寫了配套的自動(dòng)化 test harness，作為 muduo 網(wǎng)絡(luò)庫的示例。
注意：本文呈現(xiàn)的代碼僅僅實(shí)現(xiàn)了基本的功能需求，沒有考慮安全性，也沒有特別優(yōu)化性能，不適合用作真正的放在公網(wǎng)上運(yùn)行的網(wǎng)游連接服務(wù)器。
功能需求
這個(gè)連接服務(wù)器把多個(gè)客戶連接匯聚為一個(gè)內(nèi)部 TCP 連接，起到“數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換”的作用，讓 backend 的邏輯服務(wù)器專心處理業(yè)務(wù)，而無需顧及多連接的并發(fā)性。以下是系統(tǒng)的框圖：
這個(gè)連接服務(wù)器的作用與數(shù)字電路中的數(shù)據(jù)選擇器 (multiplexer) 類似，所以我把它命名為 multiplexer。（其實(shí) IO-Multiplexing 也是取的這個(gè)意思，讓一個(gè) thread-of-control 能有選擇地處理多個(gè) IO 文件描述符。）
(上圖取自 wikipedia，是 public domain 版權(quán))
實(shí)現(xiàn)
Multiplexer 的功能需求不復(fù)雜，無非是在 backend connection 和 client connections 之間倒騰數(shù)據(jù)。具體來說，主要是處理四種事件：
由上可見，multiplexer 的功能與 proxy 頗為類似。multiplexer_simple.cc 是一個(gè)線程版的實(shí)現(xiàn)，借助 muduo 的 io-multiplexing 特性，可以方便地處理多個(gè)并發(fā)連接。
在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候有兩點(diǎn)值得注意：
- TcpConnection 的 id 如何存放？當(dāng)從 backend 收到數(shù)據(jù)，如何根據(jù) id 找到對應(yīng)的 client connection？當(dāng)從 client connection 收到數(shù)據(jù)，如何得知其 id ？
第一個(gè)問題比較好解決，用 std::map〈int, TcpConnectionPtr〉 clientConns_; 保存從 id 到 client connection 的映射就行。
第二個(gè)問題固然可以用類似的辦法解決，但是我想借此介紹一下 muduo::net::TcpConnection 的 context 功能。每個(gè) TcpConnection 都有一個(gè) boost::any 成員，可由客戶代碼自由支配(get/set)，代碼如下。這個(gè) boost::any 是 TcpConnection 的 context，可以用于保存與 connection 綁定的任意數(shù)據(jù)（比方說 connection id、connection 的最后數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間、connection 所代表的用戶的名字等等）。這樣客戶代碼不必繼承 TcpConnection 就能 attach 自己的狀態(tài)，而且也用不著 TcpConnectionFactory 了（如果允許繼承，那么必然要向 TcpServer 注入此 factory）。
class TcpConnection : public boost::enable_shared_from_this<TcpConnection>,
boost::noncopyable
{
public:
void setContext(const boost::any& context)
{ context_ = context; }
boost::any& getContext()
{ return context_; }
const boost::any& getContext() const
{ return context_; }
// ...
private:
// ...
boost::any context_;
};
typedef boost::shared_ptr<TcpConnection> TcpConnectionPtr;
對于 Multiplexer，在 onClientConnection() 里調(diào)用 conn->setContext(id)，把 id 存到 TcpConnection 對象中。onClientMessage() 從 TcpConnection 對象中取得 id，連同數(shù)據(jù)一起發(fā)送給 backend，完整實(shí)現(xiàn)如下：
void onClientMessage(const TcpConnectionPtr& conn, Buffer* buf, Timestamp)
{
if (!conn->getContext().empty())
{
int id = boost::any_cast<int>(conn->getContext());
sendBackendBuffer(id, buf);
}
else
{
buf->retrieveAll();
}
}
- TcpConnection 的生命期如何管理？由于 Client Connection 是動(dòng)態(tài)創(chuàng)建并銷毀，其生與滅完全由客戶決定，如何保證 backend 想向它發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，這個(gè) TcpConnection 對象還活著？解決思路是用 reference counting，當(dāng)然，不用自己寫，用 boost::shared_ptr 即可。TcpConnection 是 muduo 中唯一默認(rèn)采用 shared_ptr 來管理生命期的對象，蓋由其動(dòng)態(tài)生命期的本質(zhì)決定。更多內(nèi)容請參考陳碩《當(dāng)析構(gòu)函數(shù)遇到多線程──C++ 中線程安全的對象回調(diào)》
multiplexer 是二進(jìn)制協(xié)議，如何測試呢？
自動(dòng)化測試
Multiplexer 是 muduo 網(wǎng)絡(luò)編程示例中第一個(gè)具有 non-trivial 業(yè)務(wù)邏輯的網(wǎng)絡(luò)程序，根據(jù)陳碩《分布式程序的自動(dòng)化回歸測試》一文的思想，我為它編寫了 test harness。代碼見 http://code.google.com/p/muduo/source/browse/trunk/examples/multiplexer/harness/src/com/chenshuo/muduo/example/multiplexer
這個(gè) Test harness 采用 Java 編寫，用的是 Netty 庫。這個(gè) test harness 要扮演 clients 和 backend，也就是既要主動(dòng)發(fā)起連接，也要被動(dòng)接受連接。結(jié)構(gòu)如下：
Test harness 會(huì)把各種 event 匯聚到一個(gè) blocking queue 里邊，方便編寫 test case。Test case 則操縱 test harness，發(fā)起連接、發(fā)送數(shù)據(jù)、檢查收到的數(shù)據(jù)，例如以下是其中一個(gè) test case
http://code.google.com/p/muduo/source/browse/trunk/examples/multiplexer/harness/src/com/chenshuo/muduo/example/multiplexer/testcase/TestOneClientSend.java
這里的幾個(gè) test cases 都以用 java 直接寫的，如果有必要，也可以采用 Groovy 來編寫，這樣可以在不重啟 test harness 的情況下隨時(shí)修改添加 test cases。具體做法見陳碩《“過家家”版的移動(dòng)離線計(jì)費(fèi)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)》。
將來的改進(jìn)
有了這個(gè)自動(dòng)化的 test harness，我們可以比較方便且安全地修改（甚至重新設(shè)計(jì)）multiplexer。例如
- 增加“backend 發(fā)送指令斷開 client connection”的功能。有了自動(dòng)化測試，這個(gè)新功能可以被單獨(dú)測試（指開發(fā)者測試），而不需要真正的 backend 參與進(jìn)來。
- 將 Multiplexer 改用多線程重寫。有了自動(dòng)化回歸測試，我們不用擔(dān)心破壞原有的功能，可以放心大膽地重寫。而且由于 test harness 是從外部測試，不是單元測試，重寫 multiplexer 的時(shí)候不用動(dòng) test cases，這樣保證了測試的穩(wěn)定性。另外，這個(gè) test harness 稍作改進(jìn)還可以進(jìn)行 stress testing，既可用于驗(yàn)證多線程 multiplexer 的正確性，亦可對比其相對單線程版的效率提升。