仿写 muduo 网络库

网络库实现的核心目标

  1. 线程安全，支持多核多线程，实现高并发的连接请求和低延时的客户端请求。
  2. 不考虑可移植性，不跨平台，只支持 Linux，不支持 Windows。
  3. 主要支持 x86-64，兼顾 IA32。
  4. 不支持 UDP，只支持 TCP。
  5. 不支持 IPv6，只支持 IPv4。
  6. 不考虑广域网应用，只考虑局域网。
  7. 不考虑公网，只考虑内网。不为安全性做特别的增强。
  8. 只支持一种使用模式：非阻塞 IO＋one event loop per thread，不支持阻塞 IO。
  9. API 简单易用，只暴露具体类和标准库里的类。API 不使用 non-trivial templates，也不使用虚函数。
  10. 只满足常用需求的 90%，不面面俱到，必要的时候以 app 来适应 lib。
  11. 只做 libray (库)，不做成 framework (构架)

muduo 网络库成功的原因将解决的问题控制在一个范围内，不追求大而全。

1. 第一版本的需求

在客户端获取日志信息，将日志信息发送到服务端，服务端接受日志信息，再接着将日志信息写入文件。代码最终的要求是：

服务器端程序：

  1. 指定服务器 IP 地址和 Port 端口号；
  2. 定义服务器对象，执行bind绑定和listen监听操作；
  3. 接受客户端连接（accept）；
  4. 与客户端进行数据读写；
  5. 关闭客户端的连接。

客户端程序：

  1. 指定连接的服务器 IP 地址和 port 端口号；
  2. 定义客户端对象；
  3. 发起与服务器的连接；
  4. 与服务器进行数据读写；
  5. 关闭连接。

2. 需求分析

使用 C/S 模型实现日志信息在网络中的发送。

2.1 TCP 客户端和 TCP 服务器的工作流程

 

客户端工作流程

设置地址信息 ==> 创建 socket ==> 发起连接（connect） ==> 读写数据（read/write） ==> 关闭连接（close）

服务器工作流程

设置地址信息 ==> 创建 socket ==> 绑定（bind）和监听（listen） ==> 监听连接（accept） ==> 读写数据（read/write） ==> 关闭链接（close）

套接字作用说明

  • 客户端：创建套接字用于连接服务端；
  • 服务器：首先创建套接字用于绑定、监听和获取客户端连接，accept成功后将获取一个新的连接套接字，专门用于 I/O 事件处理。（一个监听套接字对应多个连接套接字，连接套接字负责具体 I/O 事件）

2.3 识别问题空间中的对象

  1. InetAddress 对象；
  2. Socket 对象；
  3. Acceptor 接受连接对象；
  4. TcpConnection 全相关连接对象；
  5. TcpServer 对象；
  6. Connect 主动发起连接器对象；
  7. TcpClient 对象；

2.4 确定对象功能

1. InetAddress 对象

  • 功能：作为sockaddr_in的包装器（wrapper），为其它对象提供sockaddr_in地址信息。sockaddr_in是 socket 的专用地址结构体，保存的信息包括地址族、端口号、地址结构体。
  • 方法：构造地址，返回地址族信息，设置地址，获取主机 IP 等。

2. Socket 对象

  • 功能：为服务器端对象提供监听套接字的封装，完成bind、listen和接受客户端连接请求（accept）。Socket 对象是 socket 文件描述符（sockfd）的轻量级封装，提供操作底层 sockfd 的常用方法。采用 RAII 方式管理 sockfd，Socket 对象本身不创建或打开 sockfd，仅负责关闭，析构时调用close关闭套接字。
  • 方法：绑定 IP 地址（bind）；监听套接字（listen）；接收连接请求（accept）；关闭连接写方向（shutdown）；获取 TCP 协议栈信息（tcp_info）等。

3. Acceptor 接受连接器对象

  • 功能：包含 Socket 对象，用于服务器监听新的客户端连接请求（即 server socket）。当有新的连接请求完成时，构建TcpConnection连接管理对象。

4. TcpConnection 连接管理对象

  • 功能：在执行accept()函数之后创建，由 Socket 对象持有连接套接字（connfd），包含本地地址（localAddr_）、对端地址（peerAddr_）、读写缓冲区等。作为整个网络库的核心，封装一次 TCP 连接（注意不能发起连接），主要实现连接套接字上的读 / 写、关闭连接等操作。
  • 状态：包含四种状态 —— 已连接、未连接、正在连接、正在断开。
  • 特殊说明：TcpConnection类是网络库最核心的类，唯一默认用shared_ptr管理的类，唯一继承自enable_shared_from_this的类。这是因为其生命周期模糊：可能在连接断开时，还有其他地方持有它的引用，贸然delete会造成空悬指针。只有确保其他地方没有持有该对象的引用时，才能安全销毁对象。

5. TcpServer Tcp 服务器对象

2.3 识别问题空间中的对象

2.4 确定对象功能

1. InetAddress 对象

2. Socket 对象

3. Acceptor 接受连接器对象

4. TcpConnection 连接管理对象

5. TcpServer Tcp 服务器对象

  • 功能：创建监听套接字对象，用于接收新的客户端连接，并将新连接存储到 map 容器中，管理数据的接受和发送。
  • 组成：由Acceptor连接对象和TcpConnection连接管理对象组成。Acceptor对象负责接受新的 TCP 连接，TcpConnection对象负责对连接进行管理。
  • 关联方式：定义回调函数与连接的使用者取得关联。
  • 提供接口：（原文未展开，保持原样）
  • 对象图：

    客户端工作流程

    设置地址信息 ==> 创建 socket ==> 发起连接（connect） ==> 读写数据（read/write） ==> 关闭连接（close）

    服务器工作流程

    设置地址信息 ==> 创建 socket ==> 绑定（bind）和监听（listen） ==> 监听连接（accept） ==> 读写数据（read/write） ==> 关闭链接（close）

    套接字作用说明

  • 客户端：创建套接字用于连接服务端；
  • 服务器：首先创建套接字用于绑定、监听和获取客户端连接，accept成功后将获取一个新的连接套接字，专门用于 I/O 事件处理。（一个监听套接字对应多个连接套接字，连接套接字负责具体 I/O 事件）
  • InetAddress 对象；
  • Socket 对象；
  • Acceptor 接受连接对象；
  • TcpConnection 全相关连接对象；
  • TcpServer 对象；
  • Connect 主动发起连接器对象；
  • TcpClient 对象；
  • 功能：作为sockaddr_in的包装器（wrapper），为其它对象提供sockaddr_in地址信息。sockaddr_in是 socket 的专用地址结构体，保存的信息包括地址族、端口号、地址结构体。
  • 方法：构造地址，返回地址族信息，设置地址，获取主机 IP 等。
  • 功能：为服务器端对象提供监听套接字的封装，完成bind、listen和接受客户端连接请求（accept）。Socket 对象是 socket 文件描述符（sockfd）的轻量级封装，提供操作底层 sockfd 的常用方法。采用 RAII 方式管理 sockfd，Socket 对象本身不创建或打开 sockfd，仅负责关闭，析构时调用close关闭套接字。
  • 方法：绑定 IP 地址（bind）；监听套接字（listen）；接收连接请求（accept）；关闭连接写方向（shutdown）；获取 TCP 协议栈信息（tcp_info）等。
  • 功能：包含 Socket 对象，用于服务器监听新的客户端连接请求（即 server socket）。当有新的连接请求完成时，构建TcpConnection连接管理对象。
  • 功能：在执行accept()函数之后创建，由 Socket 对象持有连接套接字（connfd），包含本地地址（localAddr_）、对端地址（peerAddr_）、读写缓冲区等。作为整个网络库的核心，封装一次 TCP 连接（注意不能发起连接），主要实现连接套接字上的读 / 写、关闭连接等操作。
  • 状态：包含四种状态 —— 已连接、未连接、正在连接、正在断开。
  • 特殊说明：TcpConnection类是网络库最核心的类，唯一默认用shared_ptr管理的类，唯一继承自enable_shared_from_this的类。这是因为其生命周期模糊：可能在连接断开时，还有其他地方持有它的引用，贸然delete会造成空悬指针。只有确保其他地方没有持有该对象的引用时，才能安全销毁对象。
  • 功能：创建监听套接字对象，用于接收新的客户端连接，并将新连接存储到 map 容器中，管理数据的接受和发送。
  • 组成：由Acceptor连接对象和TcpConnection连接管理对象组成。Acceptor对象负责接受新的 TCP 连接，TcpConnection对象负责对连接进行管理。
  • 关联方式：定义回调函数与连接的使用者取得关联。
  • 提供接口：（原文未展开，保持原样）
  • 对象图：

客户端工作流程

设置地址信息 ==> 创建 socket ==> 发起连接（connect） ==> 读写数据（read/write） ==> 关闭连接（close）

服务器工作流程

设置地址信息 ==> 创建 socket ==> 绑定（bind）和监听（listen） ==> 监听连接（accept） ==> 读写数据（read/write） ==> 关闭链接（close）

套接字作用说明

  • 客户端：创建套接字用于连接服务端；
  • 服务器：首先创建套接字用于绑定、监听和获取客户端连接，accept成功后将获取一个新的连接套接字，专门用于 I/O 事件处理。（一个监听套接字对应多个连接套接字，连接套接字负责具体 I/O 事件）

2.3 识别问题空间中的对象

  1. InetAddress 对象；
  2. Socket 对象；
  3. Acceptor 接受连接对象；
  4. TcpConnection 全相关连接对象；
  5. TcpServer 对象；
  6. Connect 主动发起连接器对象；
  7. TcpClient 对象；

2.4 确定对象功能

1. InetAddress 对象

  • 功能：作为sockaddr_in的包装器（wrapper），为其它对象提供sockaddr_in地址信息。sockaddr_in是 socket 的专用地址结构体，保存的信息包括地址族、端口号、地址结构体。
  • 方法：构造地址，返回地址族信息，设置地址，获取主机 IP 等。

2. Socket 对象

  • 功能：为服务器端对象提供监听套接字的封装，完成bind、listen和接受客户端连接请求（accept）。Socket 对象是 socket 文件描述符（sockfd）的轻量级封装，提供操作底层 sockfd 的常用方法。采用 RAII 方式管理 sockfd，Socket 对象本身不创建或打开 sockfd，仅负责关闭，析构时调用close关闭套接字。
  • 方法：绑定 IP 地址（bind）；监听套接字（listen）；接收连接请求（accept）；关闭连接写方向（shutdown）；获取 TCP 协议栈信息（tcp_info）等。

3. Acceptor 接受连接器对象

  • 功能：包含 Socket 对象，用于服务器监听新的客户端连接请求（即 server socket）。当有新的连接请求完成时，构建TcpConnection连接管理对象。

4. TcpConnection 连接管理对象

  • 功能：在执行accept()函数之后创建，由 Socket 对象持有连接套接字（connfd），包含本地地址（localAddr_）、对端地址（peerAddr_）、读写缓冲区等。作为整个网络库的核心，封装一次 TCP 连接（注意不能发起连接），主要实现连接套接字上的读 / 写、关闭连接等操作。
  • 状态：包含四种状态 —— 已连接、未连接、正在连接、正在断开。
  • 特殊说明：TcpConnection类是网络库最核心的类，唯一默认用shared_ptr管理的类，唯一继承自enable_shared_from_this的类。这是因为其生命周期模糊：可能在连接断开时，还有其他地方持有它的引用，贸然delete会造成空悬指针。只有确保其他地方没有持有该对象的引用时，才能安全销毁对象。

5. TcpServer Tcp 服务器对象

2.3 识别问题空间中的对象

2.4 确定对象功能

1. InetAddress 对象

2. Socket 对象

3. Acceptor 接受连接器对象

4. TcpConnection 连接管理对象

5. TcpServer Tcp 服务器对象

  • 功能：创建监听套接字对象，用于接收新的客户端连接，并将新连接存储到 map 容器中，管理数据的接受和发送。
  • 组成：由Acceptor连接对象和TcpConnection连接管理对象组成。Acceptor对象负责接受新的 TCP 连接，TcpConnection对象负责对连接进行管理。
  • 关联方式：定义回调函数与连接的使用者取得关联。
  • 提供接口：（原文未展开，保持原样）
  • 对象图：

    客户端工作流程

    设置地址信息 ==> 创建 socket ==> 发起连接（connect） ==> 读写数据（read/write） ==> 关闭连接（close）

    服务器工作流程

    设置地址信息 ==> 创建 socket ==> 绑定（bind）和监听（listen） ==> 监听连接（accept） ==> 读写数据（read/write） ==> 关闭链接（close）

    套接字作用说明

  • 客户端：创建套接字用于连接服务端；
  • 服务器：首先创建套接字用于绑定、监听和获取客户端连接，accept成功后将获取一个新的连接套接字，专门用于 I/O 事件处理。（一个监听套接字对应多个连接套接字，连接套接字负责具体 I/O 事件）
  • InetAddress 对象；
  • Socket 对象；
  • Acceptor 接受连接对象；
  • TcpConnection 全相关连接对象；
  • TcpServer 对象；
  • Connect 主动发起连接器对象；
  • TcpClient 对象；
  • 功能：作为sockaddr_in的包装器（wrapper），为其它对象提供sockaddr_in地址信息。sockaddr_in是 socket 的专用地址结构体，保存的信息包括地址族、端口号、地址结构体。
  • 方法：构造地址，返回地址族信息，设置地址，获取主机 IP 等。
  • 功能：为服务器端对象提供监听套接字的封装，完成bind、listen和接受客户端连接请求（accept）。Socket 对象是 socket 文件描述符（sockfd）的轻量级封装，提供操作底层 sockfd 的常用方法。采用 RAII 方式管理 sockfd，Socket 对象本身不创建或打开 sockfd，仅负责关闭，析构时调用close关闭套接字。
  • 方法：绑定 IP 地址（bind）；监听套接字（listen）；接收连接请求（accept）；关闭连接写方向（shutdown）；获取 TCP 协议栈信息（tcp_info）等。
  • 功能：包含 Socket 对象，用于服务器监听新的客户端连接请求（即 server socket）。当有新的连接请求完成时，构建TcpConnection连接管理对象。
  • 功能：在执行accept()函数之后创建，由 Socket 对象持有连接套接字（connfd），包含本地地址（localAddr_）、对端地址（peerAddr_）、读写缓冲区等。作为整个网络库的核心，封装一次 TCP 连接（注意不能发起连接），主要实现连接套接字上的读 / 写、关闭连接等操作。
  • 状态：包含四种状态 —— 已连接、未连接、正在连接、正在断开。
  • 特殊说明：TcpConnection类是网络库最核心的类，唯一默认用shared_ptr管理的类，唯一继承自enable_shared_from_this的类。这是因为其生命周期模糊：可能在连接断开时，还有其他地方持有它的引用，贸然delete会造成空悬指针。只有确保其他地方没有持有该对象的引用时，才能安全销毁对象。
  • 功能：创建监听套接字对象，用于接收新的客户端连接，并将新连接存储到 map 容器中，管理数据的接受和发送。
  • 组成：由Acceptor连接对象和TcpConnection连接管理对象组成。Acceptor对象负责接受新的 TCP 连接，TcpConnection对象负责对连接进行管理。
  • 关联方式：定义回调函数与连接的使用者取得关联。
  • 提供接口：（原文未展开，保持原样）
  • 对象图：

  •  时序图：

6. Connector 主动发起连接器对象

核心功能

Connector负责主动发起连接，不负责创建sockfd，仅负责连接的建立。外部通过调用Connector::start()即可发起连接，具备重连功能和停止连接功能，连接成功建立后将结果返回给TcpClient。

与 Acceptor 的区别

与Acceptor相比，Connector少了acceptSocket_成员，因为Connector是创建新的sockfd并执行connect操作，其创建流程如下：
Connector::start() → Connector::startInLoop() → void Connector::connect()

关联关系：一个TcpClient对应一个TcpConnection和一个Connector；而一个TcpServer对应一个TcpConnection列表和一个Acceptor。

非阻塞连接的难点及解决方案

在非阻塞网络中，主动发起连接比被动接收连接更复杂，需考虑错误处理和重试机制，主要难点包括：

  1. socket 一次性特性：
    socket 是一次性资源，一旦出错无法恢复，仅能关闭后重新创建。使用新的文件描述符（fd）后，需搭配新的channel。

  2. 连接状态二次确认：
    非阻塞模式下，socket可写并不意味着连接已成功建立，需通过getsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, …)再次确认连接状态。
    其他确认方法：

    • 调用getpeername，若失败返回ENOTCONN，表示连接失败；
    • 调用read且长度参数为 0，若失败表示connect失败；
    • 再次调用connect，若返回错误EISCONN，表示套接字已成功建立连接。

  3. 指数退避重试机制：
    重试间隔时间应逐渐延长（直至back-off），重试通过EventLoop::runAfter实现。为防止Connector在定时器到期前析构，需在Connector的析构函数中注销定时器。

  4. 防止自连接：
    需通过逻辑避免自连接情况的发生。

连接建立后的处理

在handleWrite()中需要调用removeAndResetChannel()，因为此时连接已建立，无需再关注channel的可写事件，最终执行channel_.reset()析构channel。此外，该函数需返回sockfd，交由TcpConnection接管。

7. TcpClient

核心功能

TcpClient负责发起连接，内部包含一个Connector连接器，通过Connector发起连接。连接建立成功后，使用socket创建TcpConnection来管理连接。每个TcpClient类仅管理一个TcpConnection，连接建立成功后会设置相应的回调函数。

组件关系

  • TcpClient用于管理客户端连接，实际连接操作由Connector执行。
  • Connector类不单独使用，而是封装在TcpClient中，一个Connector对应一个TcpClient。
  • Connector负责建立连接，建立成功后将控制权交给TcpConnection，因此TcpClient中也封装了一个TcpConnection对象。

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