情景分析
在網絡編程中，通常異步比同步處理更為復雜，但由于異步的事件通知機制，避免了同步方式中的忙等待，提高了吞吐量，因此效率較高，在高性能應用開發中，經常被用到。而在處理異步相關的問題時，狀態機模式是一種典型的有效方法，這在libevent、memcached、nginx等開源軟件(庫)中多次被使用而得到見證。據此，為拋磚引玉，本文展示了使用此方法異步接收變長數據包的實現，這里的變長是指在某一種網絡協議中，具有完整意義的數據包長度是不固定的。為了描述方便，我們以一個TCP C/S模式的簡單例子為場景分析說明，服務端在某知名端口監聽，使用異步IO復用機制epoll ET模式接受連接、接收分析請求、存取數據到內存緩沖中，這種內存緩沖類似于數據庫，數據按鍵值對存取；客戶端的請求包括增加、修改和刪除三種，每種請求對應的數據包長度不一樣。
協議封包
如下圖所示，請求封包各字段從左到右依次為：type字段表示請求類型，占1個字節，值域為{1,2,3}，1為增加，2為修改，3為刪除；key字段表示鍵名，占16個字節；val字段表示值，占256個字節；expire表示生存期，占4個字節，單位為秒。顯而易見，對于每種類型的請求，其封包長度是固定的。
狀態轉換
由于在一條連接上客戶端可以先后發送多種不同類型的請求，因此服務端需要接收完整某種請求的包后，才能解析處理。當處于某種特定類型的請求時，接收完它的包，這很容易實現。但當存在多種不同類型的請求時，就需要先識別當前的請求類型，再在這種類型中接收完整的包，然后再識別新的請求類型，繼續循環這樣的一個過程。因此，這就自然而然地對應到了狀態機，如下圖所示，有4個狀態：1個起始狀態
prepare，在此狀態中識別當前請求類型，轉到下一中間狀態；3個中間狀態
add、
set、
del，分別對應
增加、
修改和
刪除請求，在此狀態中不斷接收數據，直至接收完整，再轉到起始狀態。由于從中間狀態能轉到起始狀態，因此就沒必要存在結束狀態。e1、e2、e3、e4表示不同狀態間轉化的觸發事件。
代碼實現
數據結構定義
connection類表示一條在客戶端和服務端間建立的連接，靜態成員函數handle_read被epoll模型當有數據可讀時回調，普通成員函數handle_read則做實際的接收處理。
1 enum read_state { prepare, add, set, del };
2
3static const char MSG_TYPE_ADD = 1;
4static const char MSG_TYPE_SET = 2;
5static const char MSG_TYPE_DEL = 3;
6
7#pragma pack(1)
8struct msg_add
9
{
10
char key[16];
11 char val[256];
12 uint32_t expire;
13
};
14
15struct msg_set
16{
17 char key[16];
18 char val[256];
19};
20
21struct msg_del
22{
23 char key[16];
24};
25#pragma pack()
26
27static const size_t MSG_MAX_SIZE = sizeof(msg_add);
28
29class connection
30{
31public:
32 connection();
33
34 void recv_add_msg(msg_add* msg);
35 void recv_set_msg(msg_set* msg);
36 void recv_del_msg(msg_get* msg);
37
38 bool send_add_msg(const char* key,const char* val,uint32_t expire);
39 bool send_set_msg(const char* key,const char* val);
40 bool send_del_msg(const char* key);
41
42private:
43 void reset_state()
44
{ tran_ = 0, size_ = 1; s_ = prepare;}
45
46 void handle_read();
47 static void handle_read(int fd,short ev,void* arg);
48
49private:
50 int sock_;
51 char buf_[MSG_MAX_SIZE];
52 size_t tran_;
53 size_t size_;
54 read_state s_;
55};
服務端異步接收
最初時處于
起始狀態
prepare，在這個狀態中：先接收1個字節，分析請求類型，更新狀態，然后繼續接收數據。當收到數據read返回時，那么這時已經處于3種中間狀態
add、
set、
del之一了，在這個狀態中：只要繼續收完這種類型的請求包即可解析處理，最后再重設，返回到狀態
prepare，繼續接收下一個請求包。
1connection::connection()
2:sock(-1)
3,tran_(0)
4,size_(1)
5,s_(prepare)
6{
7}
8
9void connection::recv_add_msg(msg_add* msg)
10{
11}
12
13void connection::recv_set_msg(msg_set* msg)
14{
15}
16
17void connection::recv_del_msg(msg_del* msg)
18{
19}
20
21void connection::handle_read(int fd,short ev,void* arg)
22{
23 static_cast<connection*>(arg)->handle_read();
24}
25
26void connection::state_machine()
27{
28 switch(s_){
29 case prepare:
30 if(MSG_TYPE_ADD==buf_[0]){
31 tran_ = 0, size_ = sizeof(msg_add);
32 s_ = add;
33 }else if(MSG_TYPE_SET==buf_[0]){
34 tran_ = 0, size_ = sizeof(msg_set);
35 s_ = set;
36 }else if(MSG_TYPE_DEL==buf_[0]){
37 tran_ = 0, size_ = sizeof(msg_del);
38 s_ = del;
39
}else
40 assert(false);
41 break;
42
43 case add:
44 if(tran_ == size_){
45 recv_add_msg(reinterpret_cast<msg_add*>(buf_));
46 reset_state();
47 }
48 break;
49
50 case set:
51 if(tran_ == size_){
52 recv_set_msg(reinterpret_cast<msg_set*>(buf_));
53 reset_state();
54 }
55 break;
56
57 case del:
58 if(tran_ == size_){
59 recv_del_msg(reinterpret_cast<msg_del*>(buf_));
60 reset_state();
61 }
62 break;
63 }
64}
65
66void connection::handle_read()
67{
68 ssize_t ret;
69 for(;;){
70 ret = read(sock_,buf_+tran_,size_-tran_);
71 if (ret > 0){
72 tran_ += ret;
73 state_machine();
74 }else if(ret < 0 && errno == EAGAIN){
75 break;
76 }else{
77 close(sock_); break;
78 }
79 }
80}
客戶端同步發送
由于一般大多數的客戶端不像服務端要求高性能高并發，因此使用同步方式來發送數據。下面代碼忽略了錯誤處理，為簡單方便，發送請求的實現也寫在了類connection內，依次為send_add_msg、send_set_msg、send_del_msg成員函數。
1
bool connection::send_iovec(char type,void* msg,size_t len)
2
{
3
struct iovec iov[2];
4 iov[0].iov_base = &type;
5 iov[0].iov_len = 1;
6 iov[1].iov_base = msg;
7 iov[1].iov_len = len;
8
9 return writev(sock_,iov,NUM_ELEMENTS(iov))==1+len;
10
}
11
12bool connection::send_add_msg(const char* key,const char* val,uint32_t expire)
13{
14 msg_add msg;
15 strcpy(msg.key,key);
16 strcpy(msg.val,val);
17 msg.expire = expire;
18 return send_iovec(MSG_TYPE_ADD,&msg,sizeof(msg));
19}
20
21bool connection::send_set_msg(const char* key,const char* val)
22{
23 msg_set msg;
24 strcpy(msg.key,key);
25 strcpy(msg.val,val);
26 return send_iovec(MSG_TYPE_SET,&msg,sizeof(msg));
27}
28
29bool connection::send_del_msg(const char* key)
30{
31 msg_del msg;
32 strcpy(msg.key,key);
33 return send_iovec(MSG_TYPE_GET,&msg,sizeof(msg));
34}
小結
雖然以上所述的場景是網絡通信，但對于進程間使用管道和字節流套接字的通信，也同樣適合。
posted on 2012-09-20 15:48
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