Linux网络设计中的Reactor网络模型与百万级并发实践

2024-08-13 21:44:07 浏览数 (1)

一、Reactor网络模型简介

什么是并发:网络并发,通俗的讲就是服务器可以承载的客户端数量,即服务器可以稳定保证客户端同时接入的数量。

Reactor模型开发效率比直接使用IO多路复用要高,它一般是单线程的,设计目标是希望一个线程使用CPU的全部资源;带来的优点是,在每个事件处理中很多时候不需要考虑共享资源的互斥访问。

Reactor模式是处理并发IO比较常见的模式,用于同步IO,核心思想是将所有要处理的IO事件注册到一个中心IO多路复用器上,同时主线程或进程阻塞在IO多路复用器上;一旦有事件到来或准备就绪,多路复用器返回并将事先注册的相应 I/O 事件分发到对应的处理器中。

二、Reactor的优点

1、响应快;不必为单个同步事件阻塞,虽然Reactor本身依然是同步的。 2、编程相对简单;可以最大程度的避免复杂的多线程及同步问题,尽可能的避免多线程、多进程的切换开销。 3、可扩展性;可通过增加Reactor实例个数,充分利用CPU资源。 4、高复用性;Reactor模型本身与事件处理逻辑无关,具有很高的复用性。

三、实现过程

step 1:定义Reactor模型相关结构体

reactor数据结构设计图如下:

图片图片

结构说明:以fd作为索引,存放在block中;当一个fd到来时,通过fd/MAX先找到fd对应的block号,再通过fd%MAX找到对应的偏移地址。例如来了个fd=10000,每个块存放的最大item数量MAX=1024,那么fd对应的block序号等于10000/1024=9;偏移量等于1000024=784。这样就可以找到fd对应的数据存放地址item。

数据结构的代码实现如下:

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struct ntyevnt{
   
    int fd;//事件fd
    char buffer[BUFFER_LENGTH];//缓冲区
    int length;//缓存长度
    int status;//状态

    int events;//事件
    void *arg;//callback的参数
    int(*callback)(int fd, int events, void* arg);//回调函数
};
struct eventblock{
   
    struct *sock_items;//事件集合
    struct eventblock *next;//指向下一个内存块
};
struct reactor{
   
    int epfd;//epoll的文件描述符
    int blkcnt;//事件块的数量
    struct eventblock *evtblk;//事件块的起始地址
};

step 2:实现Reactor容器初始化功能

我们这里使用epoll作为IO多路复用器。 思路:初始化reactor内存块,避免脏数据;创建events和block并初始化,将events添加到block中,将block添加到reactor的链表中管理。

代码语言:javascript复制
int ntyreactor_init(struct ntyreactor *reactor)
{
   
    if (reactor == NULL)
        return -1;
    memset(reactor, 0, sizeof(struct ntyreactor));
    //创建epoll,作为IO多路复用器
    reactor->epfd = epoll_create(1);
    if (reactor->epfd <= 0)
    {
   
        printf("create epfd in %s error %sn", __func__, strerror(errno));
        return -2;
    }

    // 创建事件集
    struct ntyevnt *events = (struct ntyevnt *)malloc(MAX_EPOLL_EVENTS * sizeof(struct ntyevnt));
    if (events == NULL)
    {
   
        printf("create ntyevnt in %s error %sn", __func__, strerror(errno));
        close(reactor->epfd);
        return -3;
    }
    memset(events, 0, (MAX_EPOLL_EVENTS) * sizeof(struct ntyevent));

    //创建事件内存块
    struct eventblock *block = (struct eventblock*)malloc(sizeof(struct eventblock));
    if (block == NULL)
    {
   
        printf("create eventblock in %s error %sn", __func__, strerror(errno));
        free(events);
        close(reactor->epfd);
        return -4;
    }
    block->events = events;
    block->next = NULL;

    // reactor初始化赋值
    reactor->evblks=block;
    reactor->blkcnt = 1;

    return 0;
}

step 3:实现socket初始化功能

定义成一个函数,方便初始化多个监听端口。

代码语言:javascript复制
int init_sock(short port)
{
   
    int ret = 0;
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//创建套字接
    if (fd == -1)
    {
   
        printf("create socket in %s error %sn", __func__, strerror(errno));
        return -1;
    }
    ret=fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);//设置非阻塞
    if (ret == -1)
    {
   
        printf("fcntl O_NONBLOCK in %s error %sn", __func__, strerror(errno));
        return -1;
    }

    // 设置属性
    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;// IPV4
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(port);

    // 绑定
    ret = bind(fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
    if (ret == -1)
    {
   
        printf("bind() in %s error %sn", __func__, strerror(errno));
        return -1;
    }

    //监听
    ret = listen(fd, 20);
    if (ret < 0)
    {
   
        printf("listen failed : %sn", strerror(errno));
        return -1;
    }

    printf("listen server port : %dn", port);

    return fd;
}

step 4:实现Reactor动态扩容功能

为了实现高并发,服务器需要监听多个端口。当高并发时需要reactor容器进行扩容管理。 核心思路:找到链表的末端,分别为events和block分配内存并初始化,将events添加到block中,将block添加到reactor的链表中管理。

代码语言:javascript复制
int ntyreactor_alloc(struct ntyreactor *reactor)
{
   
    if (reactor == NULL)
        return -1;
    if (reactor->evblks == NULL)
        return -1;

    //找到链表末端
    struct eventblock *blk = reactor->evblks;
    while (blk->next != NULL)
        blk = blk->next;

    // 创建事件集
    struct ntyevent *evs = (struct ntyevent*)malloc((MAX_EPOLL_EVENTS) * sizeof(struct ntyevent));
    if (evs == NULL)
    {
   
        printf("ntyreactor_alloc ntyevent failedn");
        return -2;
    }
    memset(evs, 0, (MAX_EPOLL_EVENTS) * sizeof(struct ntyevent));

    // 创建事件块
    struct eventblock *block = (struct eventblock*)malloc(sizeof(struct eventblock));
    if (block == NULL)
    {
   
        printf("ntyreactor_alloc eventblock failedn");
        return -3;
    }
    block->events = evs;
    block->next = NULL;

    //实现扩容
    blk->next = block;
    reactor->blkcnt  ;

    return 0;
}

step 5:实现Reactor索引功能

思路:通过fd/MAX先找到fd对应的block号,再通过fd%MAX找到对应的偏移地址。 例如来了个fd=10000,每个块存放的最大item数量MAX=1024,那么fd对应的block序号等于10000/1024=9;偏移量等于1000024=784。这样就可以找到fd对应的数据存放地址item。

代码语言:javascript复制
struct ntyevent *ntyreactor_idx(struct ntyreactor *reactor, int sockfd)
{
   
    if (reactor == NULL)
        return NULL;
    if (reactor->evblks == NULL)
        return NULL;
    // fd所在block序号
    int blkidx = sockfd / MAX_EPOLL_EVENTS;
    while (blkidx >= reactor->blkcnt)
    {
   
        // 扩容
        ntyreactor_alloc(reactor);
    }

    //找到fd对应block的位置
    int i = 0;
    struct eventblock *blk = reactor->evblks;
    while (i   != blkidx && blk != NULL)
    {
   
        blk = blk->next;
    }

    // 返回item 地址
    return &blk->events[sockfd%MAX_EPOLL_EVENTS];
}

step 6:实现设置事件信息功能

将事件的相关信息保存到数据结构中。主要实现填充关键信息到event结构体中。

代码语言:javascript复制
void nty_event_set(struct ntyevent *ev,int fd,NCALLBACK callback,void *arg)
{
   
    ev->fd = fd;
    ev->events = 0;
    ev->callback = callback;
    ev->arg = arg;
}

step 7:实现IO事件监听功能

这里使用epoll作为IO多路复用器,将事件添加到epoll中监听。 思路:主要是epoll_ctl操作,将事件添加到reactor的event结构体中。

代码语言:javascript复制
int nty_event_add(int epfd, int events, struct ntyevent *ev)
{
   
    // 设置epoll事件信息
    struct epoll_event ep_ev = {
    0,{
   0} };
    ep_ev.data.ptr = ev;
    ep_ev.events = ev->events = events;

    // 判断,设置epfd的操作模式
    int op;
    if (ev->status == 1)
        op = EPOLL_CTL_MOD;
    else
    {
   
        op = EPOLL_CTL_ADD;
        ev->status = 1;
    }


    // 设置epoll
    int ret = epoll_ctl(epfd, op, ev->fd, &ep_ev);
    if (ret < 0)
    {
   
        printf("event add failed [fd=%d], events[%d],ret:%dn", ev->fd, events,ret);
        printf("event add failed in %s error %sn", __func__, strerror(errno));
        return -1;
    }

    return 0;
}

step 8:实现IO事件移除功能

由于设置了非阻塞模式,当事件到来时,需要暂时移除监听,避免干扰。

代码语言:javascript复制
int nty_event_del(int epfd, struct ntyevent *event)
{
   
    if (event->status != 1)
        return -1;

    struct epoll_event ep_ev = {
    0,{
   0} };
    ep_ev.data.ptr = event;
    event->status = 0;
    // 移除fd的监听
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTR_DEL, &ep_ev);
    return 0;
}

step 9:实现Reactor事件监听功能

思路:设置fd的事件信息,添加事件到epoll监听。

代码语言:javascript复制
int ntyreactor_addlistener(struct ntyreactor *reactor,int sockfd,NCALLBACK *acceptor)
{
   
    if (reactor == NULL)
        return -1;
    if (reactor->evblks == NULL)
        return -1;

    // 找到fd对应的event地址
    struct ntyevent *event = ntyreactor_idx(reactor, sockfd);
    if (event == NULL)
        return -1;
    // 设置fd的事件信息
    nty_event_set(event, sockfd, acceptor, reactor);
    // 添加事件到epoll监听
    nty_event_add(reactor->epfd, EPOLLIN, event);

    return 0;
}

step 10:实现recv回调函数

思路:找到fd对应的信息内存块;使用recv接收数据;暂时移除该事件的监听;如果接收成功,设置监听事件为是否可写,添加到IO多路复用器(epoll)中;返回收到的数据长度。

代码语言:javascript复制
int recv_cb(int fd, int events, void *arg)
{
   
    struct ntyreactor *reactor = (struct ntyreactor *)arg;
    if (reactor == NULL)
        return -1;
    // 找到fd对应的event地址
    struct ntyevent *event = ntyreactor_idx(reactor, fd);
    if (event == NULL)
        return -1;
    // 接收数据
    int len = recv(fd, event->buffer, BUFFER_LENGTH, 0);
    // 暂时移除监听
    nty_event_del(reactor->epfd, event);
    if (len > 0)
    {
   
        event->length = len;
        event->buffer[len] = '';
        printf("recv [%d]:%sn", fd, event->buffer);
        //设置fd的事件信息
        nty_event_set(event, fd, send_cb, reactor);
        // 添加事件到epoll监听
        nty_event_add(reactor->epfd, EPOLLOUT, event);
    }
    else if (len == 0)
    {
   
        nty_event_del(reactor->epfd, event);
        printf("recv_cb --> disconnectn");
        close(event->fd);
    }
    else {
   

        if (errno == EAGAIN && errno == EWOULDBLOCK) {
    //

        }
        else if (errno == ECONNRESET) {
   
            nty_event_del(reactor->epfd, event);
            close(event->fd);
        }
        printf("recv[fd=%d] error[%d]:%sn", fd, errno, strerror(errno));

    }
    return len;
}

step 11:实现send回调函数

思路:找到fd对应的信息内存块;使用send发送数据;暂时移除该事件的监听;如果发送成功,设置监听事件为是否可读,添加到IO多路复用器(epoll)中;返回发送的数据长度。

代码语言:javascript复制
int send_cb(int fd, int events, void *arg)
{
   
    struct ntyreactor *reactor = (struct ntyreactor*)arg;
    if (reactor == NULL)
    {
   
        return -1;
    }

    // 查找fd对应的信息存放内存块
    struct ntyevent *ev = ntyreactor_idx(reactor, fd);
    if (ev == NULL)
        return -1;

    int len = send(fd, ev->buffer, BUFFER_LENGTH, 0);
    // 暂时移除监听
    nty_event_del(reactor->epfd, ev);

    if (len > 0)
    {
   

        printf("send[fd=%d], [%d]%sn", fd, len, ev->buffer);
        nty_event_set(ev, fd, recv_cb, reactor);
        nty_event_add(reactor->epfd, EPOLLIN, ev);
    }
    else
    {
   
        close(ev->fd);
        printf("send[fd=%d] error %sn", fd, strerror(errno));
    }
    return len;
}

step 12:实现accept回调函数

思路:使用accept获得连接的客户端fd;设置客户端fd为非阻塞模式;找到fd对应的信息内存块;设置fd的事件信息;设置监听事件为是否可读,添加到IO多路复用器(epoll)中。

代码语言:javascript复制
int accept_cb(int fd, int events, void *arg)
{
   
    struct ntyreactor *reactor = (struct ntyreactor *)arg;
    if (reactor == NULL)
        return -1;

    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t len = sizeof(client_addr);

    int client_fd = accept(fd,(struct sockaddr*)&client_addr,&len);
    if (client_fd == -1)
    {
   
        printf("accept: %sn", strerror(errno));
        return -1;
    }

    int flag = fcntl(client_fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
    if ((flag = fcntl(client_fd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0) {
   
        printf("%s: fcntl nonblocking failed, %dn", __func__, MAX_EPOLL_EVENTS);
        return -1;
    }

    // 找到fd对应的event地址
    struct ntyevent *event = ntyreactor_idx(reactor, client_fd);
    if (event == NULL)
        return -1;
    // 设置fd的事件信息
    nty_event_set(event, client_fd, recv_cb, reactor);
    // 添加事件到epoll监听
    nty_event_add(reactor->epfd, EPOLLIN, event);

    printf("new connect [%s:%d], pos[%d]n",
        inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port), client_fd);

    return 0;
}

step 13:实现reactor运行函数

主要是epoll的等待功能,将监听到的事件进行回调处理。

代码语言:javascript复制
int ntyreactor_run(struct ntyreactor *reactor)
{
   
    if (reactor == NULL)
        return -1;
    if (reactor->epfd < 0)
        return -1;
    if (reactor->evblks == NULL)
        return -1;

    struct epoll_event events[MAX_EPOLL_EVENTS   1];
    int i;
    while (1)
    {
   
        // epoll监听客户端接入
        int nready = epoll_wait(reactor->epfd, events, MAX_EPOLL_EVENTS, 1000);
        if (nready < 0)
        {
   
            printf("epoll wait errorn");
            continue;
        }
        for (i = 0; i < nready; i  )
        {
   
            struct ntyevent *ev = (struct ntyevent *)events[i].data.ptr;
            if ((events[i].events &EPOLLIN) && (ev->events &EPOLLIN))
            {
   
                // 处理可读事件
                ev->callback(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
            }
            if ((events[i].events &EPOLLOUT) && (ev->events &EPOLLOUT))
            {
   
                //处理可写事件
                ev->callback(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
            }
        }
    }

}

step 14:实现reactor销毁功能

代码语言:javascript复制
int ntyreactor_destory(struct ntyreactor *reactor)
{
   
    // 关闭epoll
    close(reactor->epfd);

    struct eventblock *blk= reactor->evblks;
    struct eventblock *next;

    while (blk != NULL)
    {
   
        next = blk->next;
        // 释放内存块
        free(blk->events);
        free(blk);
        blk = next;
    }
    return 0;
}

简单使用示例

代码语言:javascript复制
int main(int argc,char* argv[])
{
   
    // 创建reactor对象
    struct ntyreactor *reactor = (struct ntyreactor*)malloc(sizeof(struct ntyreactor));
    // 初始化reactor容器
    ntyreactor_init(reactor);

    // 定义监控的socket开始端口
    unsigned short port = SERVER_PORT;
    if (argc == 2)
    {
   
        port = atoi(argv[1]);
    }

    // 初始化套字接和监听端口列表
    int i = 0;
    int sockfds[PORT_COUNT] = {
    0 };
    for(i=0;i<PORT_COUNT;i  )
    {
   
        // 初始化socket端口
        sockfds[i] = init_sock(port   i);
        // 添加事件监听
        ntyreactor_addlistener(reactor, sockfds[i], accept_cb);
    }

    // reactor运行,主要是epoll的循环监听
    ntyreactor_run(reactor);
    // 销毁 reactor
    ntyreactor_destory(reactor);

    // 关闭socket集
    for (i = 0; i < PORT_COUNT; i  )
    {
   
        close(sockfds[i]);
    }

    // 释放reactor
    free(reactor);

    return 0;
}

四、总结

1、创建一个reactor对象,分配内存。 2、Reactor容器初始化: (1)创建IO多路复用器epoll,将文件描述符epfd保存到reactor容器中; (2)创建一个事件集合MAX_EPOLL_EVENTS * sizeof(struct events); (3)创建一个管理模块,用于管理(2)中创建的事件集合。这是一个链表,一个指针指向(2)中创建的事件集合,一个指针指向下一个块(block); (4)将事件集合添加到管理模块(block)中进管理; (5)将管理模块(block)保存到reactor容器,同时reactor的管理模块(block)置为1; (6)注意:如果申请内存使用malloc函数,最好使用memset将内存块初始化,避免脏数据。 3、soket初始化: (1)创建一个监听socket fd,socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); (2)设置socket fd为非阻塞模式,fcntl(fd,SETFL,O_NONBLOCK); (3)配置socket属性,主要是struct sockaddr_in结构体的sin_family、sin_addr.s_addr、sin_port; (4)bind(); (5)listen(); 4、事件监听 (1)以fd为key找到对应的管理块序号和偏移地址; (2)设置事件信息; (3)添加监听事件:是否可读。 5、reactor主循环(mainloop),主要是epoll的循环监听,处理事件到相关回调函数。 (1)事件监听,epoll_wait; (2)回调函数recv,处理可读事件(EPOLLIN); (3)回调函数send,处理可写事件(EPOLLOUT)。 6、销毁reactor,注意是事件集内存块的释放和链表的内存释放。 7、close监听端口socket fd。 8、释放reactor内存。

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