ZeroMQ 教程 002 : 高级技巧

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了ZeroMQ 教程 002 : 高级技巧相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

本文主要译自 zguide - chapter two. 但并不是照本翻译.

上一章我们简单的介绍了一个ZMQ, 并给出了三个套路的例子: 请求-回应, 订阅-发布, 流水线(分治). 这一章, 我们将深入的探索一下ZMQ中的socket, 以及"套路"

socket API

如果熟悉linux socket编程的同学阅读完了第一章, 一定有一种说不上来的别扭感觉.因为通常情况下, 当我们讨论socket的时候, 我们一般指的是操作系统提供的网络编程接口里的那个socket概念. 而在ZMQ中, 只是借用了这个概念的名字, 在ZMQ中, 我们讨论到socket的时候, 一般指代的是调用zmq_socket()接口返回的那个socket, 具体一点: zmq socket.

zmq socket比起linux socket来说, 逻辑理解起来比较类似, 虽然两者内部完全就不是同一种东西.

  1. socket需要被创建, 以及关闭. zmq_socket(), zmq_close()
  2. socket有配置项. zmq_setsockopt(), zmq_getsockopt()
  3. socket有绑定和连接两种操作. zmq_bind(), zmq_connect()
  4. 收发socket上的数据. zmq_msg_send(), zmq_msg_recv(), zmq_send(), zmq_recv()

但与linux socket不同的是, zmq socket没有listen这个逻辑概念.

需要注意的是, zmq socket是void指针, 而消息则是结构实例. 这就意味着, 在C语言的API中, 需要zmq socket的地方, 传递的一定是值, 而需要传递消息的时候, 比如使用zmq_msg_send()和zmq_msg_recv()这样的接口, 消息参数则传递其地址. 其设计哲学是: 在zmq中, socket不归程序员掌控, 所以你可能拿到一个句柄(地址), 但不能看到它长什么样(不能看到socket实例), 但消息是程序员创建的, 是受程序员掌控的.

将socket接入网络拓扑中

在两个结点上用ZMQ实现通讯, 你需要分别为两个结点创建socket, 并在其中一个结点上调用zmq_bind(), 在另一个结点上创建对应的zmq_connect(). 在ZMQ中, 请不要再以死板的"客户端", "服务端"来区分网络结点. 而要这样理解: zmq_bind()调用应该发生在网络拓扑中那些不易变的结点上, 而zmq_connect()应该发生在网络拓扑中那些易变的结点上.

ZMQ建立起的数据连接和常见的TCP连接有一些不同, 但也有一些共通之处, 如下:

  1. TCP是TCP/IP协议栈的四层协议, 当建立一个TCP连接的时候, 双方都必须使用TCP/IP协议栈. 从这个角度看, ZMQ是四层之上的4.5层, ZMQ下面统一了很多连接协议, 对于TCP/IP协议栈来说, ZMQ下面有TCP, 除了TCP/IP, ZMQ还能通过共享内存在线程间建立连接, 在进程间建立连接(具体连接手段对上层是透明的), 使用TCP/IP协议栈的PGM协议(建立在IP层上的一种多播协议)建立连接.
  2. 在linux socket中, 一个连接就是一个socket, 但在ZMQ中, 一个socket上可以承载多个数据连接. 这里socket和connection不再是同个层次上的等价词汇, 要把socket理解为程序员访问数据连接的一个入口, 一个大门, 门推开, 可能有多个连接, 而不止一个. 有多个数据流等待吞吐.
  3. 上面说了, 用ZMQ在结点间建立连接, 程序员操作ZMQ相关API的时候, 实际上位于的是类似于TCP/IP里的第4.5层, 反过来看, 即具体的连接是如何建立, 如何保持, 如何维护的, 这ZMQ库的工作, 不应该由使用ZMQ库的人去关心. 也就是说, 自从使用了ZMQ库, 你再也不需要关心TCP是如何握手了. 并且, 对于合适的协议, 对端结点上线下线时, ZMQ库将负责优雅的处理接连中断, 重试连接等脏活.
  4. 再次重申, 如何连接, 是ZMQ库的工作, 你不应该插手. 你只需要关心数据, 套路, 拓扑.

在请求-回应套路中, 我们把比较不易变的逻辑结点称为服务端, 把易变, 也就是会经常性的退出, 或重新加入网络拓扑的结点称为客户端. 服务端向外提供服务, 必须提供一个"地址"供客户端去上门, 换句话说, 在这个套路拓扑中, 那些经常来来去去的客户端应该知道去哪找服务端. 但反过来, 服务端完全不关心去哪找客户端, 你爱来不来, 不来就滚, 不要打扰我飞升. 对于不易变的结点, 应该使用zmq_bind()函数, 对于易变的结点, 应该采用zmq_connect

在传统的linux socket编程中, 如果服务端还没有上线工作, 这个时候去启动客户端程序, 客户端程序的connect()调用会返回错误. 但在ZMQ中, 它妥善处理了这种情况. 客户端调用zmq_connect(), 不会报错, 仅会导致消息被阻塞而发不出去.

不要小看这一点设计, 它反映出ZMQ的设计思想: 在请求-应答套路中, 它不光允许客户端可以随时退出, 再回来. 甚至允许服务端去上个厕所.

另外, 一个服务端可以多次调用zmq_bind()以将自己关联到多个endpoint上.(所谓的endpoint, 就是通讯协议+通讯地址的组合, 它一般情况下指代了在这种通讯协议中的一个网络结点, 但这个结点可以是逻辑性的, 不一定只是一台机器).这就意味着, zmq socket可以同时接受来自多个不同通讯协议的多簇请求消息.

zmq_bind(socket, "tcp://*:5555");
zmq_bind(socket, "tcp://*:999");
zmq_bind(socket, "inproc://suprise_motherfucker");

但是, 对于同一种通讯协议里的同一个endpoint, 你只能对其执行一次zmq_bind()操作. 这里有个例外, 就是ipc进程间通信. 逻辑上允许另外一个进程去使用之前一个进程已经使用过的ipc endpoint, 但不要滥用这特性: 这只是ZMQ提供给程序崩溃后恢复现场的一种手段, 在正常的代码逻辑中, 不要做这样的事情.

所以看到这里你大概能理解zmq对bind和connect这两个概念的态度: ZMQ努力的将这两个概念之间的差异抹平, 但很遗憾, zmq并没有将这两个操作抽象成一个类似于touch的操作. 但还是请谨记, 在你的网络拓扑中, 让不易变结点去使用zmq_bind(), 让易变结点去使用zmq_connect

zmq socket是分类型的, 不同类型的socket提供了差异化的服务, socket的类型与结点在拓扑中的角色有关, 也影响着消息的出入, 以及缓存策略. 不同类型的socket之间, 有些可以互相连接, 但有些并不能, 这些规则, 以及如何在套路中为各个结点安排合适类型的socket, 都是后续我们将要讲到的内容.

如果从网络通讯的角度来讲, zmq是一个将传统传输层封装起来的网络库. 但从数据传输, 消息传输, 以及消息缓存这个角度来讲, zmq似乎又称得上是一个消息队列库. 总之, zmq是一个优秀的库, 优秀不是指它的实现, 它的性能, 而是它能解决的问题, 它的设计思路.

收发消息

在第一章里, 我们接触到了两个有关消息收发的函数, zmq_send()和zmq_recv(), 现在, 我们需要把术语规范一下.

zmq_send()与zmq_recv()是用来传输"数据"的接口. 而"消息"这个术语, 在zmq中有指定含义, 传递消息的接口是zmq_msg_send()与zmq_msg_recv()

当我们说起"数据"的时候, 我们指的是二进制串. 当我们说"消息"的时候, 指提是zmq中的一种特定结构体.

需要额外注意的是, 无论是调用zmq_send()还是zmq_msg_send(), 当调用返回时, 消息并没有真正被发送出去, 更没有被对方收到. 调用返回只代表zmq将你要发送的"消息"或"数据"放进了一个叫"发送缓冲区"的地方. 这是zmq实现收发异步且带缓冲队列的一个设计.

单播传输

ZMQ底层封装了三种单播通讯协议, 分别是: 共享内存实现的线程间通讯(inproc), 进程间通信(ipc), 以及TCP/IP协议栈里的TCP协议(tcp). 另外ZMQ底层还封装了两种广播协议: PGM, EPGM. 多播我们在非常后面的章节才会介绍到, 在你了解它之前, 请不要使用多播协议, 即便你是在做一些类似于发布-订阅套路的东西.

对于多数场景来说, 底层协议选用tcp都是没什么问题的. 需要注意的是, zmq中的tcp, 被称为 "无连接的tcp协议", 而之所以起这么一个精神分裂的名字, 是因为zmq允许在对端不存在的情况下, 结点去zmq_connect(). 你大致可以想象zmq做了多少额外工作, 但这些对于你来说, 对于上层应用程序来说, 是透明了, 你不必去关心具体实现.

IPC通讯类似于tcp, 也是"无连接"的, 目前, 这种方式不能在windows上使用, 很遗憾. 并且, 按照惯例, 在使用ipc作为通讯方式时, 我们一般给endpoint加上一个.ipc的后缀. 另外, 在Unix操作系统上, 使用ipc连接还请格外的注意不同进程的权限问题, 特别是从属于两个不同用户的进程.

最后来说一下inproc, 也就是线程间通信, 它只能用于同一进程内的不同线程通讯. 比起tcp和ipc, 这种通讯方式快的飞起. 它与tcp和ipc最大的区别是: 在有客户端调用connect之前, 必须确保已经有一个服务端在对应的endpoint上调用了bind, 这个缺陷可能会在未来的某个版本被修正, 但就目前来讲, 请务必小心注意.

ZMQ对底层封装的通讯协议是有侵入性的

很遗憾的是, ZMQ对于其底层封装的网络协议是有侵入性的, 换句话说, 你没法使用ZMQ去实现一个HTTP服务器. HTTP作为一个五层协议, 使用TCP作为传输层协议, 对TCP里的报文格式是有规约限制的, 而ZMQ作为一个封装了TCP的4.5层协议, 其在数据交互时, 已经侵入了TCP的报文格式. 你无法让TCP里的报文既满足HTTP的格式要求, 还满足ZMQ的格式要求.

关心ZMQ到底是如何侵入它封装的通讯协议的, 这个在第三章, 当我们接触到ZMQ_ROUTER_RAW这种socket配置项的时候才会深入讨论, 目前你只需要明白, ZMQ对其底层封装的通讯协议有侵入.

这意味着, 你无法无损的将ZMQ引入到一些现成的项目中. 这很遗憾.

I/O线程

我们先前提到过, ZMQ在后台使用独立的线程来实现异步I/O处理. 一般情况下吧, 一个I/O线程就应该足以处理当前进程的所有socket的I/O作业, 但是这个凡事总有个极限情况, 所以总会存在一些很荀的场景, 你需要多开几个I/O线程.

当你创建一个context的时候, ZMQ就在背后创建了一个I/O处理线程. 如果这么一个I/O线程不能满足你的需求, 那么就需要在创建context的时候加一些料, 让ZMQ多创建几个I/O处理线程. 一般有一个简单估算I/O线程数量的方法: 每秒你的程序有几个G字节的吞吐量, 你就开几个I/O线程.

下面是自定义I/O线程数量的方法:

int io_threads = 4;
void * context = zmq_ctx_new();
zmq_ctx_set(context, ZMQ_IO_THREADS, io_threads);
assert(zmq_ctx_get(context, ZMQ_IO_THREADS) == io_threads);

回想一下你用linux socket + epoll编写服务端应用程序的套路, 一般都是一个tcp连接专门开一个线程. ZMQ不一样, ZMQ允许你在一个进程里持有上千个连接(不一定是TCP哦), 但处理这上千个连接的I/O作业, 可能只有一个, 或者几个线程而已, 并且事实也证明这样做是可行的. 可能你的进程里只有十几个线程, 但就是能处理超过上千个连接.

当你的程序只使用inproc作为通讯手段的时候, 其实是不需要线程来处理异步I/O的, 因为inproc是通过共享内存实现通讯的. 这个时候你可以手动设置I/O线程的数量为0. 这是一个小小的优化手段, 嗯, 对性能的提升基本为0.

套路, 套路, 套路

ZMQ的设计是亲套路的, ZMQ的核心其实在于路由与缓存, 这也是为什么作为一个网络库, 它更多的被人从消息队列这个角度了解到的原因. 要用ZMQ实现套路, 关键在于使用正确的socket类型, 然后把拓扑中的socket组装配对起来. 所以, 要懂套路, 就需要懂zmq里的socket类型.

zmq提供了你构建如下套路的手段:

  1. 请求-应答套路. 多对多的客户端-服务端模型. 用于远程调用以及任务分发场景.
  2. 发布-订阅套路. 多对多的喇叭-村民模型. 用于数据分发场景.
  3. 流水线套路. 用于并行作业处理场景.
  4. 一夫一妻套路. 一对一的连接模型. 这一般用于在进程中两个线程进行通讯时使用.

我们在第一章中已经大致接触了套路, 除了一夫一妻没有接触到, 这章稍后些部分我们也将接触这种套路.要了解具体socket的各个类型都是干嘛用的, 可以去阅读zmq_socket()的manpage, 我建议你去阅读, 并且仔细阅读, 反复阅读.下面列出的是可以互相组合的socket类型. 双方可以替换bind与connect操作.

  1. PUB SUB. 经典的发布-订阅套路
  2. REQ REP. 经典的请求-应答套路
  3. REQ ROUTER (注意, REQ发出的数据中, 以一个空帧来区分消息头与消息体)
  4. DEALER REP(注意, REP假定收到的数据中, 有一个空帧用以区分消息头与消息体)
  5. DEALER ROUTER
  6. DEALER DEALER
  7. ROUTER ROUTER
  8. PUSH PULL. 经典的流水线套路.
  9. PAIR PAIR. 一夫一妻套路

后续你还会看到有XPUB与XSUB两种类型的socket. 就目前来说, 只有上面的socket配对连接是有效的, 其它没列出的组合的行为是未定义的, 但就目前的版本来说, 错误的组合socket类型并不会导致连接时出错, 甚至可能会碰巧按你的预期运行, 但强烈不建议你这个瞎jb搞. 在未来的版本中, 组合非法的socket类型可能会导致API调用出错.

消息, 消息, 消息

libzmq有两套收发消息的API接口, 这个之前我们已经讲过. 并且在第一章里建议你多使用zmq_send()与zmq_recv(), 建议你规避zmq_msg_send()与zmq_msg_recv(). 但zmq_recv有一个缺陷, 就是当你提供给zmq_recv()接口的接收buffer不够长时, zmq_recv()会把数据截断. 如果你无法预测你要收到的二进制数据的长度, 那么你只能使用zmq_msg_xxx()接口.

从接口名上的msg三个字母就能看出, 这个系列的接口是操纵结构体, 也就是"消息"(其实是帧, 后面会讲到), 而不是"数据", 而非缓冲区的接口, 实际上它们操纵的是zmq_msg_t类型的结构. 这个系列的接口功能更为丰富, 但使用起来也请务必万分小心.

  1. 初始化消息相关的接口: zmq_msg_init(), zmq_msg_init_size(), zmq_msg_init_data()
  2. 消息收发接口: zmq_msg_send(), zmq_msg_recv()
  3. 消息释放接口: zmq_close()
  4. 访问消息内容的接口: zmq_msg_data(), zmq_msg_size(), zmq_msg_more()
  5. 访问消息配置项的接口: zmq_msg_get(), zmq_msg_set()
  6. 复制拷贝操作接口: zmq_msg_copy(), zmq_msg_move()

消息结构中封装的数据是二进制的, 依然由程序员自己解释. 关于zmq_msg_t结构类型, 下面是你需要知道的基础知识:

  1. 去阅读上面的消息相关接口API的manpage, 你会发现传递参数都是以zmq_msg_t *. 也就是说这是一个内部实现不对外开放的类型, 创建, 传递, 都应当以指针类型进行操作.
  2. 要从socket中接收一个消息, 你需要先通过zmq_msg_init()创建一个消息对象, 然后将这个消息对象传递给zmq_msg_recv()接口
  3. 要向socket中写入消息, 你需要先通过zmq_msg_init_size()创建一个数据容量指定的消息对象, 然后把你要写入的二进制数据通过内存拷贝函数, 比如memcpy()写入消息中, 最后调用zmq_msg_send(), 看到这里你应该明白, zmq_msg_init_size()接口内部进行了内存分配.
  4. 消息的"释放"和"销毁"是两个不同的概念. zmq_msg_t其实是引用计数方式实现的共享对象类型, "释放"是指当前上下文放弃了对该消息的引用, 内部导致了实例的引用计数-1, 而"销毁"则是彻底把实例本身给free掉了. 当你"释放"一个消息的时候, 应当调用zmq_msg_close()接口. 如果消息实例在释放后引用计数归0, 那么这个消息实例会被ZMQ自动销毁掉.
  5. 要访问消息里包装的数据, 调用zmq_msg_data()接口, 要获取消息中数据的长度, 调用zmq_msg_size()
  6. 在你熟读并理解相关manpage中的内容之前, 不要去调用zmq_msg_move(), zmq_msg_copy(), zmq_msg_init_data()这三个接口
  7. 当你通过zmq_msg_send()调用将消息发送给socket后, 这个消息内部包装的数据会被清零, 也就是zmq_msg_size() == 0, 所以, 你不应该连续两次使用同一个zmq_msg_t *值调用zmq_msg_send(). 但需要注意的是, 这里的"清零", 并不代表消息被"释放", 也不代表消息被"销毁". 消息还是消息, 只是其中的数据被扔掉了.

如果你想把同一段二进制数据发送多次, 正确的做法是下面这样:

  1. 调用zmq_msg_init_size(), 创建第一个消息, 再通过memcpy或类似函数将二进制数据写入消息中
  2. 调用zmq_msg_init()创建第二个消息, 再调用zmq_msg_copy()从第一个消息将数据"复制"过来
  3. 重复上述步骤
  4. 依次调用zmq_msg_send()发送上面的多个消息

ZMQ还支持所谓的"多帧消息", 这种消息允许你把多段二进制数据一次性发送给对端. 这个特性在第三章我们再讲. (P.S.: 这是一个很重要的特性, 路由代理等高级套路就严重依赖这种多帧消息.). ZMQ中的消息有三层逻辑概念: 消息, 帧, 二进制数据. 用户自定义的二进制数据被包装成帧, 然后一个或多个帧组成一个消息. 消息是ZMQ拓扑网络中两个结点收发的单位, 但在ZMQ底层的传输协议中, 最小单位是帧.

换一个角度来讲, ZMQ使用其底层的传输协议, 比如tcp, 比如inproc, 比如ipc来传输数据, 当ZMQ调用这些传输协议传递数据的时候, 最小单元是帧. 帧的完整性由传输协议来保证, 即是ZMQ本身不关心这个帧会不会破损, 帧的完整传输应当由这些传输协议去保证. 而在使用ZMQ构建应用程序的程序员眼中, 最小的传输单位是消息, 一个消息里可能会有多个帧, 程序员不去关心消息从一端到另一端是否会出现丢帧, 消息的完整性与原子性应当由ZMQ库去保证.

前面我们讲过, ZMQ对其底层的传输协议是有侵入性的. 如果要了解ZMQ到底是如何在传输协议的基础上规定帧传输格式的, 可以去阅读这个规范.

在我们到达第三章之前, 我们所讨论的消息中都仅包含一个帧. 这就是为什么在这一小节的描述中, 我们几乎有引导性的让你觉得, zmq_msg_t类型, 就是"消息", 其实不是, 其实zmq_msg_t消息只是"帧".

  1. 一个消息可以由多个帧组成
  2. 每个帧都是一个zmq_msg_t对象
  3. 使用zmq_msg_send(), zmq_msg_recv(), 你可以一帧一帧的发送数据. 可以用多次调用这些接口的方式来发送一个完整的消息, 或者接收一个完整的消息: 在发送时传入ZMQ_SNDMORE参数, 或在接收时, 通过zmq_getsockopt()来获取ZMQ_RCVMORE选项的值. 更多关于如何使用低级API收发多帧消息的信息, 请参见相关接口的manpage
  4. ZMQ也提供了便于收发多帧消息的高级API

关于消息或帧, 还有下面的一些特性:

  1. ZMQ允许你发送数据长度为0的帧. 比如在有些场合, 这只是一个信号, 而没有任何语义上的数据需要被携带
  2. ZMQ在发送多帧消息时, 保证消息的原子性与完整性. 如果丢失, 所有帧都不会到达对端, 如果成功, 那么必须所有帧都被正确送达, 帧在传输过程中不会出现破损.
  3. 在调用发送数据的癌后, 消息并不会被立即发出, 而是被放在发送缓冲区中. 这和zmq_send()是一致的.
  4. 你必须在完成消息接收后, 调用zmq_msg_close()接口来释放这个zmq_msg_t对象

最后再强调一下, 在你不理解zmq_msg_t的原理之前, 不要使用zmq_msg_init_data()接口, 这是一个0拷贝接口, 如果不熟悉zmq_msg_t结构的原理, 瞎jb用, 是会core dump的

ZMQ中的多路I/O复用

在先前的所有例子程序中, 大多程序里干的都是这样的事情

  1. 等待socket上有数据
  2. 接收数据, 处理
  3. 重复上面的过程

如果你接触过linux中的select, pselect, epoll等多路IO复用接口, 你一定会好奇, 在使用zmq的时候, 如何实现类似的效果呢? 毕竟ZMQ不光把linux socket的细节给你封装了, 连文件描述符都给你屏蔽封装掉了, 显然你没法直接调用类似于select, pselect, epoll这种接口了.

答案是, ZMQ自己搞了一个类似的玩意, zmq_poll()了解一下.

我们先看一下, 如果没有多路IO接口, 如果我们要从两个socket上接收数据, 我们会怎样做. 下面是一个没什么卵用的示例程序, 它试图从两个socket上读取数据, 使用了异步I/O. (如果你有印象的话, 应该记得对应的两个endpoint实际上是我们在第一章写的两个示例程序的数据生产方: 天气预报程序与村口的大喇叭)

#include <zmq.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
    void * context = zmq_ctx_new();
    void * receiver = zmq_socket(context, ZMQ_PULL);
    zmq_connect(receiver, "tcp://localhost:5557");

    void * subscriber = zmq_socket(context, ZMQ_SUB);
    zmq_connect(subscriber, "tcp://localhost:5556");
    zmq_setsockopt(subscriber, ZMQ_SUBSCRIBE, "10001 ", 6);

    while(1)
    {
        char msg[256];
        while(1)
        {
            int size = zmq_recv(receiver, msg, 255, ZMQ_DONTWAIT);
            if(size != -1)
            {
                // 接收数据成功
            }
            else
            {
                break;
            }
        }

        while(1)
        {
            int size = zmq_recv(subscriber, msg, 255, ZMQ_DONTWAIT);
            if(size == -1)
            {
                // 接收数据成功
            }
            else
            {
                break;
            }
        }

        sleep(1);   // 休息一下, 避免疯狂循环
    }

    zmq_close(receiver);
    zmq_close(subscriber);
    zmq_ctx_destroy(context);

    return 0;
}

在没有多路IO手段之前, 这基本上就是你能做到的最好情形了. 大循环里的sleep()让人浑身难受. 不加sleep()吧, 在没有数据的时候, 这个无限空循环能把一个核心的cpu占满. 加上sleep()吧, 收包又会有最坏情况下1秒的延时.

但有了zmq_poll()接口就不一样了, 代码就会变成这样:

#include <zmq.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
    void * context = zmq_ctx_new();
    void * receiver = zmq_socket(context, ZMQ_PULL);
    zmq_connect(receiver, "tcp://localhost:5557");

    void * subscriber = zmq_socket(context, ZMQ_SUB);
    zmq_connect(subscriber, "tcp://localhost:5556");
    zmq_setsockopt(subscriber, ZMQ_SUBSCRIBE, "10001 ", 6);

    while(1)
    {
        char msg[256];
        zmq_pollitem_t items[] = {
            {receiver,  0,  ZMQ_POLLIN,     0},
            {subscriber,0,  ZMQ_POLLIN,     0},
        };

        zmq_poll(items, 2, -1);

        if(items[0].revents & ZMQ_POLLIN)
        {
            int size = zmq_recv(receiver, msg, 255, 0);
            if(size != -1)
            {
                // 接收消息成功
            }
        }

        if(items[1].revents & ZMQ_POLLIN)
        {
            int size = zmq_recv(subscriber, msg, 255, 0);
            if(size != -1)
            {
                // 接收消息成功
            }
        }
    }

    zmq_close(receiver);
    zmq_close(subscriber);
    zmq_ctx_destroy(context);

    return 0;
}

zmq_pollitem_t类型定义如下, 这个定义可以从zmq_poll()的manpage里查到

typedef struct{
    void * socket;  // ZMQ的socket
    int fd;         // 是的, zmq_poll()还可以用来读写linux file descriptor
    short events;   // 要被监听的事件, 基础事件有 ZMQ_POLLIN 和 ZMQ_POLLOUT, 分别是可读可写
    short revents;  // 从zmq_poll()调用返回后, 这里存储着触发返回的事件
} zmq_pollitem_t;

多帧消息的收发

我们之前提到过, 用户数据被包装成zmq_msg_t对象, 也就是帧, 而在帧上, 还有一个逻辑概念叫"消息". 那么在具体编码中, 如何发送多帧消息呢? 而又如何接收多帧消息呢? 简单的讲, 两点:

  1. 在发送时, 向zmq_msg_send()传入ZMQ_SNDMORE选项, 告诉发送接口, "我后面还有其它帧"
  2. 在接收消息时, 每调用一次zmq_msg_recv()接收一个帧, 就调用一次zmq_msg_more()或者zmq_getsockopt() + ZMQ_RCVMORE来判断是否这是消息的最后一个帧

发送示例:

zmq_msg_send(&msg, socket, ZMQ_SNDMORE);
zmq_msg_send(&msg, socket, ZMQ_SNDMORE);
zmq_msg_send(&msg, socket, 0);          // 消息的最后一个帧

接收示例:

while(1)
{
    zmq_msg_t msg;
    zmq_msg_init(&msg);
    zmq_msg_recv(&msg, socket, 0);
    // 做处理
    zmq_msg_close(&msg);

    if(!zmq_msg_more(&msg)) // 注意, zmq_msg_more可以在zmq_msg_close后被安全的调用
    {
        break;
    }
}

这里有一个需要注意的有趣小细节: 要判断一个收来的帧是不是消息的最后一个帧, 有两种途径, 一种是zmq_getsockopt(socket, ZMQ_RCVMORE, &more, &more_size), 另外一种是zmq_msg_more(&msg). 前一种途径的入参是socket, 后一种途径的入参是msg. 这真是很因缺思汀. 目前来说, 两种方法都可以, 不过我建议你使用zmq_getsockopt(), 至于原因嘛, 因为在zmq_msg_recv()的manpage中, 是这样建议的.

关于多帧消息, 你需要注意以下几点:

  1. 多帧消息的传输是原子性的, 这是由ZMQ保证的
  2. 原子性也意味着, 当你使用zmq_poll()时, 当socket可读, 并且用zmq_msg_recv()读出一个帧时, 代表着不用等待下一次循环, 你直接继续读取, 一定能读取能整个消息中剩余的其它所有帧
  3. 当一个多帧消息开始被接收时, 无论你是否通过zmq_msg_more()或zmq_getsockopt() + ZMQ_RCVMORE检查消息是否接收完整, 你一帧帧的收, 也会把整个消息里的所有帧收集齐. 所以从这个角度看, zmq_msg_more()可以在把所有可读的帧从socket里统一接收到手之后, 再慢慢判断这些帧应该怎么拼装. 所以这样看, 它和zmq_getsockopt()的功能也不算是完全重复.
  4. 当一个多帧消息正在发送时, 除了把socket关掉(暴力的), 否则你不能取消本次发送, 本次发送将持续至所有帧都被发出.

中介与代理

ZMQ的目标是建立去中心化的消息通信网络拓扑. 但不要误解"去中心"这三个字, 这并不意味着你的网络拓扑在中心圈内空无一物. 实际上, 用ZMQ搭建的网络拓扑中常常充满了各种非业务处理的网络结点, 我们把这些感知消息, 传递消息, 分发消息, 但不实际处理消息的结点称为"中介", 在ZMQ构建的网络中, 它们按应用场景有多个细化的名字, 比如"代理", "中继", "装置", "掮客"等.

这套逻辑在现实世界里也很常见, 中间人, 中介公司, 它们不实际生产社会价值, 表面上看它们的存在是在吸两头的血, 这些皮条客在社会中的存在意义在于: 它们减少了沟通的复杂度, 对通信双方进行了封装, 提高了社会运行效率.

在发布-订阅套路中加入中介: XPUB与XSUB

当构建一个稍有规模的颁式系统的时候, 一个避不开的问题就是, 网络中的结点是如何感知其它结点的存在的? 结点会当机, 会扩容, 在这些变化发生的时候, 网络中的其它正在工作的结点如何感知这些变化, 并保持系统整体正常运行呢? 这就是经典的"动态探索问题".

动态探索问题有一系列很经典的解决方案, 最简单的解决方案就是把问题本身解决掉: 把网络拓扑设计死, 代码都写死, 别让它瞎jb来回变, 问题消灭了, done!. 这种解决方案的缺点就是如果网络拓扑要有变更, 比如业务规模扩展了, 或者有个结点当机了, 网络配置管理员会骂娘.

拓扑规模小的时候, 消灭问题的思路没什么坏处, 但拓扑稍微复杂一点, 显然这就是一个很可笑的解决方案.比如说, 网络中有一个发布者, 有100多个订阅者, 发布者bind到endpoint上, 订阅者connect到endpoint上. 如果代码是写死的, 如果发布者本身出了点什么问题, 或者发布者一台机器搞不住了, 需要横向扩容, 你就得改代码, 然后手动部署到100多台订阅者上. 这样的运维成本太大了.

这种场景, 你就需要一个"中介", 对发布者而言, 它从此无需关心订阅者是谁, 在哪, 有多少人, 只需要把消息给中介就行了. 对于订阅者而言, 它从此无需关注发布者有几个, 是否使用了多个endpoint, 在哪, 有多少人. 只需要向中介索取消息就行了. 虽然这时发布者身上的问题转嫁到的中介身上: 即中介是网络中最易碎的结点, 如果中介挂了整个拓扑就挂了, 但由于中介不处理业务逻辑, 只是一个类似于交换机的存在, 所以同样的机器性能, 中介在单位时间能转发的消息数量, 比发布者和订阅者能处理的消息高一个甚至几个数量级. 是的, 使用中介引入了新的问题, 但解决了老的问题.

中介并没有解决所有问题, 当你引入中介的时候, 中介又变成了网络中最易碎的点, 所以在实际应用中, 要控制中介的权重, 避免整个网络拓扑严重依赖于一个中介这种情况出现: ZMQ提倡去中心化, 不要把中介变成一个垄断市场的掮客.

对于发布者而言, 中介就是订阅者, 而对于订阅者而言, 中介就是发布者. 中介使用两种额外的socket类型: XPUB与XSUB. XSUB与真实的发布者连接, XPUB与真实的订阅者连接.

在请求-回应套路中加入掮客: DELEAR与ROUTER

在我们之前写的请求-回应套路程序中, 我们有一个客户端, 一个服务端. 这是一个十分简化的例子, 实际应用场景中的请求-回应套路中, 一般会有多个客户端与多个服务端.

请求-应答模式有一个隐含的条件: 服务端是无状态的. 否则就不能称之为"请求-应答"套路, 而应该称之为"唠嗑套路".

要连接多个客户端与多个服务端, 有两种思路.

第一种暴力思路就是: 让N个客户端与M个服务端建立起N*M的全连接. 这确实是一个办法, 虽然不是很优雅. 在ZMQ中, 实现起来还轻松不少: 因为ZMQ的socket可以向多个endpoint发起连接, 这对于客户端来说, 编码难度降低了. 客户端应用程序中可以创建一个zmq_socket, 然后connect到多个服务端的endpoint上就行了. 这种思路做的话, 客户端数量扩张很容易, 直接部署就可以, 代码不用改. 但是缺陷有两个:

  1. 服务端扩容时, 所有客户端的代码都得跟着改
  2. 客户端代码里必须知道所有服务端的endpoint

总的来说, 这是一种很暴力的解决办法, 不适合用于健壮的生产环境. 但是这确实是一个办法.

为了解决上面两个缺陷, 自然而然的我们就会想到: 为什么不能把服务端抽象出来呢? 让一个掮客来做那个唯一的endpoint, 以供所有客户端connect, 然后掮客在背后再把请求体分发给各个服务端, 服务端做出回应后掮客再代替服务端把回应返回给客户端, 这样就解决了上面的问题:

  1. 对于客户端来说, 服务端抽象成了一个endpoint, 服务端扩容时, 客户端是没有感知的.
  2. 客户端不需要知道服务端的所有endpoint, 只需要知道掮客的endpoint就可以了.

并且, 掮客还可以做到以下

  1. 如果N个客户端发送请求的速度时快时慢, 快的时候, M个服务端处理不过来. 掮客可以做一个缓冲地带.
  2. 掮客可以记录会话状态, 可以保证某一个特定的客户端始终与一个固定的服务端进行数据交互. 某种程度上, 掮客与客户端分别记录部分会话信息, 服务端可以在无状态的情况下实现"唠嗑套路"

所以, 在请求回应套路中加入掮客, 是一个很明智的选择, 这就是第二种思路, 这种思路不是没有缺陷, 有, 而且很明显: 掮客是整个系统中最脆弱的部分.

但这个缺陷可以在一定程度上克服掉:

  1. 如果单机掮客转发能力不够, 那么可以搞多个掮客. 比如N个客户端,M个服务端, 3个掮客. 客户端与3个掮客建立全连接, 3个掮客与M个服务端建立全连接. 总是要好过N个客户端与M个服务端建立全连接的.
  2. 如果单机掮客缓冲能力不够, 甚至可以加多层掮客. 这种使用方法就把掮客的缓冲特性放在了首位.

ZMQ中, 有两个特殊的socket类型特别适合掮客使用:

  1. ROUTER 用于掮客与多个客户端连接. 掮客bind, 客户端connect.
  2. DEALER 用于掮客和多个服务端连接. 掮客bind, 服务端connect.

关于这两种特殊的socket的特性, 后续我们会仔细深入, 目前来说, 你只需要了解

  1. 它们实现了消息的缓冲
  2. 它们通过一种特殊的机制记录了会话

多说无益, 来看代码. 下面是在客户端与服务端中插入掮客的代码实例:

客户端

#include <zmq.h>
#include "zmq_helper.h"

int main(void)
{
    void * context = zmq_ctx_new();

    void * socket = zmq_socket(context, ZMQ_REQ);
    zmq_connect(socket, "tcp://localhost:5559");

    for(int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        s_send(socket, "Hello");

        char * strRsp = s_recv(socket);

        printf("Received reply %d [%s]\n", i, strRsp);
        free(strRsp);
    }

    zmq_close(socket);
    zmq_ctx_destroy(context);

    return 0;
}

服务端

#include <zmq.h>
#include <unistd.h>
#include "zmq_helper.h"

int main(void)
{
    void * context = zmq_ctx_new();

    void * socket = zmq_socket(context, ZMQ_REP);
    zmq_connect(socket, "tcp://localhost:5560");

    while(1)
    {
        char * strReq = s_recv(socket);
        printf("Received request: [%s]\n", strReq);
        free(strReq);

        sleep(1);

        s_send(socket, "World");
    }

    zmq_close(socket);
    zmq_ctx_destroy(context);
    
    return 0;
}

掮客

#include <zmq.h>
#include "zmq_helper.h"

int main(void)
{
    void * context = zmq_ctx_new();
    void * socket_for_client = zmq_socket(context, ZMQ_ROUTER);
    void * socket_for_server = zmq_socket(context, ZMQ_DEALER);
    zmq_bind(socket_for_client, "tcp://*:5559");
    zmq_bind(socket_for_server, "tcp://*:5560");

    zmq_pollitem_t items[] = {
        {   socket_for_client,  0,  ZMQ_POLLIN, 0   },
        {   socket_for_server,  0,  ZMQ_POLLIN, 0   },
    };

    while(1)
    {
        zmq_msg_t message;
        zmq_poll(items, 2, -1);

        if(items[0].revents & ZMQ_POLLIN)
        {
            while(1)
            {
                zmq_msg_init(&message);
                zmq_msg_recv(&message, socket_for_client, 0);
                int more = zmq_msg_more(&message);
                zmq_msg_send(&message, socket_for_server, more ? ZMQ_SNDMORE : 0);
                zmq_msg_close(&message);

                if(!more)
                {
                    break;
                }
            }
        }

        if(items[1].revents & ZMQ_POLLIN)
        {
            while(1)
            {
                zmq_msg_init(&message);
                zmq_msg_recv(&message, socket_for_server, 0);
                int more = zmq_msg_more(&message);
                zmq_msg_send(&message, socket_for_client, more ? ZMQ_SNDMORE : 0);
                zmq_msg_close(&message);

                if(!more)
                {
                    break;
                }
            }
        }
    }

    zmq_close(socket_for_client);
    zmq_close(socket_for_server);
    zmq_ctx_destroy(context);

    return 0;
}

客户端和服务端由于掮客的存在, 代码都简单了不少, 对于掮客的代码, 有以下几点需要思考:

  1. 为什么客户端和服务端双方在代码中以s_send与s_recv互相传递字符串, 但在掮客那里就需要用zmq_msg_t进行转发呢?
  2. 为什么掮客在转发消息的时候, 还需要判断是否是多帧消息呢?
  3. 更进一步的, 如果有多个客户端与多个服务端, 客户端A向掮客发送请求, 掮客将其转发到了服务端B, 然后B回包, 发向掮客, 当回包消息到达掮客时, 掮客是如何将回包消息正确投递给A, 而不是其它客户端的呢?

上面三点其实是同一个问题: 掮客是如何实现带会话追踪的转发消息的?

另外, 如果你先启动掮客, 再启动客户端, 再启动服务端. 你会看到在服务端正确启动后, 客户端显示它收到了回包.那么:

  1. 在服务端未启动时, 显然在客户端的角度来讲, 客户端已经将第一个请求投递给了掮客. 如果此时有1000个客户端与掮客相连, 1000个首请求消息是如何存储的? 10000个呢? 什么时候掮客会丢弃请求?

这就是有关掮客的第二个问题: 如何配置缓冲区.

本章目前暂时不会对这三个问题做出解答, 大家先思考一下. 我们将在下一章深入掮客的细节进行进一步探索.

ZMQ内置的掮客函数

在上面的掮客代码示例中, 核心代码就是zmq_poll对两个socket的监听, 以及while(1)循环. ZMQ将这两坨操作统一封装到了一个函数中, 省得大家每次都要写boring code.

int zmq_proxy (const void *frontend, const void *backend, const void *capture);

参数frontend与backend分别是与客户端相连的socket和与服务端相连的socket. 在使用zmq_proxy函数之前, 这两个socket必须被正确配置好, 该调用connect就调用connect, 该调用bind就调用bind. 简单来讲, zmq_proxy负责把frontend与backend之间的数据互相递送给对方. 而如果仅仅是单纯的递送的话, 第三个参数capture就应当被置为NULL, 而如果还想监听一下数据, 那么就再创建一个socket, 并将其值传递给capture, 这样, frontend与backend之间的数据都会有一份拷贝被送到capture上的socket.

当我们用zmq_proxy重写上面的掮客代码的话, 代码会非常简洁, 会变成这样:

#include <zmq.h>
#include "zmq_helper.h"

int main(void)
{
    void * context = zmq_ctx_new();
    void * socket_for_client = zmq_socket(context, ZMQ_ROUTER);
    void * socket_for_server = zmq_socket(context, ZMQ_DEALER);
    zmq_bind(socket_for_client, "tcp://*:5559");
    zmq_bind(socket_for_server, "tcp://*:5560");

    zmq_proxy(socket_for_client, socket_for_server, NULL);

    zmq_close(socket_for_client);
    zmq_close(socket_for_server);
    zmq_ctx_destroy(context);

    return 0;
}

桥接技巧

桥接是服务器后端的一种常用技巧. 所谓的桥接有点类似于掮客, 但是解决问题的侧重点不一样. 掮客主要解决了三个问题:

  1. 降低网络连接数量. 从N*M降低到 (N+M)*X
  2. 向客户端与服务端屏蔽彼此的具体实现, 隐藏彼此的具体细节.
  3. 缓冲

而桥接解决的问题的侧重点主要在:

  1. 向通信的一方, 屏蔽另一方的具体实现.

这种设计思路常用于后台服务的接口层. 接口层一方面连接着后端内部局域网, 另外一方面对公提供服务. 这种服务可以是请求-回应式的服务, 也可以是发布-订阅式的服务(显然发布方在后端内部的局域网里). 这个时候接口层其实就完成了桥接的工作.

其实这种应用场景里, 把这种技巧称为桥接并不是很合适. 因为桥接是一个计算机网络中硬件层的术语, 最初是用于线缆过长信号衰减时, 在线缆末端再加一个信号放大器之类的设备, 为通信续命用的.

原版ZMQ文档在这里提出bridging这个术语, 也只是为了说明一下, zmq_proxy的适用场景不仅局限于做掮客, 而是应该在理解上更宽泛一点, zmq_proxy函数就是互相传递两个socket之间数据函数, 仅此而已, 而具体这个函数能应用在什么样的场景下, 掮客与桥接场景均可以使用, 但绝不局限于此. 写代码思维要活.

妥善的处理错误

ZMQ库对待错误, 或者叫异常, 的设计哲学是: 见光死. 前文中写的多数示例代码, 都没有认真的检查ZMQ库函数调用的返回值, 也没有关心它们执行失败后会发生什么. 一般情况下, 这些函数都能正常工作, 但凡事总有个万一, 万一创建socket失败了, 万一bind或connect调用失败了, 会发生什么?

按照见光死的字面意思: 按我们上面写代码的风格, 一旦出错, 程序就挂掉退出了.

所以正确使用ZMQ库的姿势是: 生产环境运行的代码, 务必为每一个ZMQ库函数的调用检查返回值, 考虑调用失败的情况. ZMQ库函数的设计也继续了POSIX接口风格里的一些设计, 这些设计包括:

  1. 创建对象的接口, 在失败时一般返回NULL
  2. 处理数据的接口, 正常情况下将返回处理的数据的字节数. 失败情况下将返回-1
  3. 其它一般性的函数, 成功时返回0, 失败时返回-1
  4. 当调用失败发生时, 具体的错误码存放在errno中, 或zmq_errno()中
  5. 有关错误的详情描述信息, 通过zmq_strerror()可能获得

真正健壮的代码, 应该像下面这样写, 是的, 它很啰嗦, 但它很健壮:

// ...
void * context = zmq_ctx_new();
assert(context);
void * socket = zmq_socket(context, ZMQ_REP);
assert(socket);
int rc = zmq_bind(socket, "tcp://*:5555");
if(rc == -1)
{
    printf("E: bind failed: %s\n", strerror(errno));
    return -1;
}
// ...

有两个比较例外的情况需要你注意一下:

  1. 处理ZMQ_DONTWAIT的函数返回-1时, 一般情况下不是一个致命错误, 不应当导致程序退出. 比如在收包函数里带上这个标志, 那么语义只是说"没数据可收", 是的, 收包函数会返回-1, 并且会置error值为EAGAIN, 但这并不代表程序发生了不可逆转的错误.
  2. 当一个线程调用zmq_ctx_destroy()时, 如果此时有其它线程在忙, 比如在写数据或者收数据什么的, 那么这会直接导致这些在干活的线程, 调用的这些阻塞式接口函数返回-1, 并且errno被置为ETERM. 这种情况在实际编码过程中不应当出现.

下面我们写一个健壮的分治套路, 和我们在第一章中写过的类似, 不同的是, 这次, 在监理收到"所有工作均完成"的消息之后, 会发消息给各个工程队, 让工程队停止运行. 这个例子主要有两个目的:

  1. 向大家展示, 在使用ZMQ库的同时, 把代码写健壮
  2. 向大家展示如何优雅的干掉一个进程

原先的分治套路代码, 使用PUSH/PULL这两种socket类型, 将任务分发给多个工程队. 但在工作做完之后, 工程队的程序还在运行, 工程队的程序无法得知任务什么进修终止. 这里我们再掺入发布-订阅套路, 在工作做完之后, 监理向广大工程队, 通过PUB类型的socket发送"活干活了"的消息, 而工程队用SUB类型的socket一旦收到监理的消息, 就停止运行.

包工头ventilator的代码和上一章的一毛一样, 只是对所有的ZMQ库函数调用增加了错误处理. 照顾大家, 这里再帖一遍

#include <zmq.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <assert.h>
#include "zmq_helper.h"

int main(void)
{
    void * context = zmq_ctx_new();
    assert(context);
    void * socket_to_sink = zmq_socket(context, ZMQ_PUSH);
    assert(socket_to_sink);
    void * socket_to_worker = zmq_socket(context, ZMQ_PUSH);
    assert(socket_to_worker);
    if(zmq_connect(socket_to_sink, "tcp://localhost:5558") == -1)
    {
        printf("E: connect failed: %s\n", strerror(errno));
        return -1;
    }
    if(zmq_bind(socket_to_worker, "tcp://*:5557") == -1)
    {
        printf("E: bind failed: %s\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    printf("Press Enter when all workers get ready:");
    getchar();
    printf("Sending tasks to workers...\n");

    if(s_send(socket_to_sink, "Get ur ass up") == -1)
    {
        printf("E: s_send failed: %s\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    srandom((unsigned)time(NULL));

    int total_ms = 0;
    for(int i = 0; i < 100; ++i)
    {
        int workload = randof(100) + 1;
        total_ms += workload;
        char string[10];
        snprintf(string, sizeof(string), "%d", workload);
        if(s_send(socket_to_worker, string) == -1)
        {
            printf("E: s_send failed: %s\n", strerror(errno));
            return -1;
        }
    }

    printf("Total expected cost: %d ms\n", total_ms);

    zmq_close(socket_to_sink);
    zmq_close(socket_to_worker);
    zmq_ctx_destroy(context);

    return 0;
}

接下来是工程队worker的代码, 这一版新增了一个socket_to_sink_of_control来接收来自监理的停止消息:

#include <zmq.h>
#include <assert.h>
#include "zmq_helper.h"

int main(void)
{
    void * context = zmq_ctx_new();
    assert(context);
    void * socket_to_ventilator = zmq_socket(context, ZMQ_PULL);
    assert(socket_to_ventilator);
    if(zmq_connect(socket_to_ventilator, "tcp://localhost:5557") == -1)
    {
        printf("E: connect failed: %s\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    void * socket_to_sink = zmq_socket(context, ZMQ_PUSH);
    assert(socket_to_sink);
    if(zmq_connect(socket_to_sink, "tcp://localhost:5558") == -1)
    {
        printf("E: connect failed: %s\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    void * socket_to_sink_of_control = zmq_socket(context, ZMQ_SUB);
    assert(socket_to_sink_of_control);
    if(zmq_connect(socket_to_sink_of_control, "tcp://localhost:5559") == -1)
    {
        printf("E: connect failed: %s\n", strerror(errno));
        return -1;
    }
    if(zmq_setsockopt(socket_to_sink_of_control, ZMQ_SUBSCRIBE, "", 0) == -1)
    {
        printf("E: setsockopt failed: %s\n", strerror(errno));
    }

    zmq_pollitem_t items [] = {
        {   socket_to_ventilator,   0,  ZMQ_POLLIN, 0   },
        {   socket_to_sink_of_control,  0,  ZMQ_POLLIN, 0   },
    };

    while(1)
    {
        if(zmq_poll(items, 2, -1) == -1)
        {
            printf("E: poll failed: %s\n", strerror(errno));
            return -1;
        }

        if(items[0].revents & ZMQ_POLLIN)
        {
            char * strWork = s_recv(socket_to_ventilator);
            assert(strWork);
            printf("%s.", strWork);
            fflush(stdout);
            s_sleep(atoi(strWork));
            free(strWork);
            if(s_send(socket_to_sink, "") == -1)
            {
                printf("E: s_send failed %s\n", strerror(errno));
                return -1;
            }
        }

        if(items[1].revents & ZMQ_POLLIN)
        {
            break;
        }
    }

    zmq_close(socket_to_ventilator);
    zmq_close(socket_to_sink);
    zmq_close(socket_to_sink_of_control);
    zmq_ctx_destroy(context);

    return 0;
}

接下来是监理的代码, 这一版新增了socket_to_worker_of_control来在任务结束之后给工程队发布停止消息:

#include <zmq.h>
#include <assert.h>
#include <stdint.h>
#include "zmq_helper.h"

int main(void)
{
    void * context = zmq_ctx_new();
    assert(context);

    void * socket_to_worker = zmq_socket(context, ZMQ_PULL);
    if(zmq_bind(socket_to_worker, "tcp://*:5558") == -1)
    {
        printf("E: bind failed: %s\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    void * socket_to_worker_of_control = zmq_socket(context, ZMQ_PUB);
    if(zmq_bind(socket_to_worker_of_control, "tcp://*:5559") == -1)
    {
        printf("E: bind failed: %s\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    char * strBeginMsg = s_recv(socket_to_worker);
    assert(strBeginMsg);
    free(strBeginMsg);

    int64_t i64StartTime = s_clock();

    for(int i = 0; i < 100; ++i)
    {
        char * strRes = s_recv(socket_to_worker);
        assert(strRes);
        free(strRes);

        if(i % 10 == 0)
        {
            printf(":");
        }
        else
        {
            printf(".");
        }

        fflush(stdout);
    }

    printf("Total elapsed time: %d msec\n", (int)(s_clock() - i64StartTime));

    if(s_send(socket_to_worker_of_control, "STOP") == -1)
    {
        printf("E: s_send failed: %s\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    zmq_close(socket_to_worker);
    zmq_close(socket_to_worker_of_control);
    zmq_ctx_destroy(context);

    return 0;
}

这个例子也展示了如何将多种套路揉合在一个场景中. 所以说写代码, 思维要灵活.

处理POSIX Signal

一般情况下, Linux上的程序在接收到诸如SIGINT和SIGTERM这样的信号时, 其默认动作是让进程退出. 这种退出信号的默认行为, 只是简单的把进程干掉, 不会管什么缓冲区有没有正确刷新, 也不会管文件以及其它资源句柄是不是正确被释放了.

这对于实际应用场景中的程序来说是不可接受的, 所以在编写后台应用的时候一定要注意这一点: 要妥善的处理POSIX Signal. 限于篇幅, 这里不会对Signal进行进一步讨论, 如果对这部分内容不是很熟悉的话, 请参阅<Unix环境高级编程>(<Advanced Programming in the UNIX Environment>)第十章(chapter 10. Signals).

下面是妥善处理Signal的一个例子

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <assert.h>
#include <string.h>

#include <zmq.h>

#define S_NOTIFY_MSG    " "
#define S_ERROR_MSG     "Error while writing to self-pipe.\n"

static int s_fd;

static void s_signal_handler(int signal_value)
{
    int rc = write(s_fd, S_NOTIFY_MSG, sizeof(S_NOTIFY_MSG));
    if(rc != sizeof(S_NOTIFY_MSG))
    {
        write(STDOUT_FILENO, S_ERROR_MSG, sizeof(S_ERROR_MSG) - 1);
        exit(1);
    }
}

static void s_catch_signals(int fd)
{
    s_fd = fd;

    struct sigaction action;
    action.sa_handler = s_signal_handler;

    action.sa_flags = 0;
    sigemptyset(&action.sa_mask);
    sigaction(SIGINT, &action, NULL);
    sigaction(SIGTERM, &action, NULL);
}

int main(void)
{
    int rc;

    void * context = zmq_ctx_new();
    assert(context);
    void * socket = zmq_socket(context, ZMQ_REP);
    assert(socket);

    if(zmq_bind(socket, "tcp://*:5555") == -1)
    {
        printf("E: bind failed: %s\n", strerror(errno));
        return -__LINE__;
    }

    int pipefds[2];
    rc = pipe(pipefds);
    if(rc != 0)
    {
        printf("E: creating self-pipe failed: %s\n", strerror(errno));
        return -__LINE__;
    }

    for(int i = 0; i < 2; ++i)
    {
        int flags = fcntl(pipefds[0], F_GETFL, 0);
        if(flags < 0)
        {
            printf("E: fcntl(F_GETFL) failed: %s\n", strerror(errno));
            return -__LINE__;
        }

        rc = fcntl(pipefds[0], F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
        if(rc != 0)
        {
            printf("E: fcntl(F_SETFL) failed: %s\n", strerror(errno));
            return -__LINE__;
        }
    }

    s_catch_signals(pipefds[1]);

    zmq_pollitem_t items[] = {
        {   0,      pipefds[0],     ZMQ_POLLIN,     0   },
        {   socket, 0,              ZMQ_POLLIN,     0   },
    };

    while(1)
    {
        rc = zmq_poll(items, 2, -1);
        if(rc == 0)
        {
            continue;
        }
        else if(rc < 0)
        {
            if(errno == EINTR)
            {
                continue;
            }
            else
            {
                printf("E: zmq_poll failed: %s\n", strerror(errno));
                return -__LINE__;
            }
        }

        // Signal pipe FD
        if(items[0].revents & ZMQ_POLLIN)
        {
            char buffer[2];
            read(pipefds[0], buffer, 2);    // clear notifying bytes
            printf("W: interrupt received, killing server...\n");
            break;
        }

        // Read socket
        if(items[1].revents & ZMQ_POLLIN)
        {
            char buffer[255];
            rc = zmq_recv(socket, buffer, 255, ZMQ_NOBLOCK);
            if(rc < 0)
            {
                if(errno == EAGAIN)
                {
                    continue;
                }

                if(errno == EINTR)
                {
                    continue;
                }

                printf("E: zmq_recv failed: %s\n", strerror(errno));

                return -__LINE__;
            }

            printf("W: recv\n");
            // Now send message back;
            // ...
        }
    }

    printf("W: cleaning up\n");
    zmq_close(socket);
    zmq_ctx_destroy(context);

    return 0;
}

上面这个程序的逻辑流程是这样的:

  1. 首先这是一个典型的服务端应用程序. 先创建了一个类型为ZMQ_REP的zmq socket, 并将之bind在本地5555端口上
  2. 然后程序创建了一个管道, 并将管道0(写端)置为非阻塞模式

  3. 然后程序为信号SIGINT与SIGTERM挂载了自定义的信号处理函数, 信号处理函数做的事如下:

    1. 向管道1(写端)写入字符串" "
    2. 若写入失败, 则向标准输出写入错误字符串"Err while writing to self-pipe"并调用exit()退出程序

  4. 然后将zmq socket与管道1读端均加入zmq_poll

    1. 在zmq socket收到请求时, 正常处理请求
    2. 在管道1收到数据时, 说明接收到了SIGINT或SIGTERM信号, 则退出数据处理循环, 之后将依次调用zmq_close()与zmq_ctx_destroy()

这种写法使用了管道, 逻辑上清晰了, 代码上繁琐了, 但这都不是重点, 重点是这个版本的服务端程序在接收到SIGINT与SIGTERM时, 虽然也会退出进程, 但在退出之前会妥善的关闭掉zmq socket与zmq context.

而还有一种更简洁的写法(这种简洁的写在其实是有潜在的漏洞的, 详情请参见<Unix环境高级编程>(<Advanced Programming in the UNIX Environment>) 第十章(chapter 10. Signals) )

  1. 定义一个全局变量 s_interrupted
  2. 定义一个信号处理函数, 该信号处理函数在接收到诸如SIGINT之类的信号时, 置s_interrupted为1
  3. 在业务处理逻辑中, 判断全局变量s_interrupted的值, 若该值为1, 则进入退出流程

大致如下:

s_catch_signals();      // 注册事件回调
client = zmq_socket(...);
while(!s_interrupted)   // 时刻检查 s_interrupted 的值
{
    char * message = s_recv(client);
    if(!message)
    {
        break;          // 接收消息异常时也退出
    }

    // 处理业务逻辑
}
zmq_close(close);

避免内存泄漏

服务端应用程序最蛋疼的问题就是内存泄漏了, 这个问题已经困扰了C/C++程序员二三十年了, ZMQ在这里建议你使用工具去检测你的代码是否有内存泄漏的风险. 这里建议你使用的工具是: valgrind

默认情况下, ZMQ本身会导致valgrind报一大堆的警告, 首先先屏蔽掉这些警告. 在你的工程目录下新建一个文件名为 vg.supp, 写入下面的内容

{
    <socketcall_sendto>
    Memcheck:Param
    socketcall.sendto(msg)
    fun:send
    ...
}
{
    <socketcall_sendto>
    Memcheck:Param
    socketcall.send(msg)
    fun:send
}

然后记得妥善处理掉诸如SIGINT与SIGTERM这样的Signal. 否则valgrind会认为不正确的退出程序会有内存泄漏风险. 最后, 在编译你的程序时, 加上 -DDEBUG 选项. 然后如下运行valgrind

valgrind --tool=memcheck --leak-check=full --suppression=vg.supp <你的程序>

如果你的代码写的没有什么问题, 会得到下面这样的赞赏

==30536== ERROR SUMMARY: 0 errors from 0 contexts...

在多线程环境使用 ZMQ

啊, 多线程, 给大家讲一个笑话, 小明有一个问题, 然后小明决定使用多线程编程解决这个问题. 最后小明问题两个了有.

传统的多线程编程中, 或多或少都会掺入同步手段. 而这此同步手段一般都是程序员的噩梦, 信号量, 锁. ZMQ则告诫广大程序员: 不要使用信号量, 也不要使用锁, 不要使用除了 zmq inproc之外的任何手段进行线程间的数据交互.

ZMQ在多线程上的哲学是这样的:

  1. 多线程应该以并行优势提高程序运行效率
  2. 避免线程同步. 如果你的多线程程序需要大量的代码来完成线程同步, 那么一定是你的程序设计有问题.
  3. 如果非得同步, 那么不要使用锁或信号量. 而使用 zmq inproc socket 来在线程间传递信息
  4. 良好的多线程程序设计, 应当很容易的将其改造成多进程服务, 更进一步, 应该很容易的拆分进程以部署在不同的机器结点上.
  5. 总的来说, 以多进程的设计思路去设计多线程程序, 核心哲学是避免线程同步.

更细节的, 在进行多线程编程时, 你应当遵循以下的几个点:

  1. 将数据进行独立拆分, 每个线程只访问自己的私有数据, 避免多线程共享数据. 除了一个例外: zmq的context实例
  2. 避免使用传统的线程同步手段: 信号量, 临界区, 锁. 上面已经强调过了, 不要使用这些手段.
  3. 在程序一开始处, 未创建线程时, 创建context实例, 随后将这个context实例共享给所有线程
  4. 如果父线程需要创建数据实例, 那么开attached线程创建程序中要使用的数据实例. 然后通过inproc pair socket将数据实例回传. 父线程bind, 子线程connect
  5. 如果父线程需要并行的子线程来处理业务. 那么开detached线程来跑业务, 并在各子线程中为各个子线程创建自己独享的context. 父子线程使用tcp socket进行通信. 这样你的程序就会很容易的扩展成多进程服务, 而不需要改动过多的代码.
  6. 线程间的数据交互一律使用zmq socket传递消息.
  7. 不要在线程间传递socket句柄. zmq socket实例不是线程安全的. 从本质上讲在线程间传递socket句柄是可行的, 但这要建立在经验丰富的基础上, 否则只会让事情更大条. 在线程间传递socket实例一般情况下只发生在zmq库的其它编程语言的binding库上, 一般也是用于带GC的语言去处理自动对象回收. 这种技巧不应该出现在zmq的使用者身上.

如果你程序要用到多个掮客, 比如, 多个线程都拥有自己独立的掮客, 一个常见的错误就是: 在A线程里创建掮客的左右两端socket, 然后将socket传递给B线程里的掮客. 这违反了上面的规则: 不要在线程间传递socket. 这种错误很难发觉, 并且出错是随机的, 出现问题后很难排查.

ZMQ对线程库是没有侵入性的, ZMQ没有内置线程库, 也没有使用其它的线程实例. 使用ZMQ写多线程应用程序, 多线程接口就是操作系统操作的线程接口. 所以它对线程相关的检查工具是友好的: 比如Intel的Thread Checker. 这种设计的坏处就是你写的程序在线程接口这一层的可移植性需要你自己去保证. 或者你需要使用其它第三方的可移植线程库.

这里我们写一个例子吧, 我们把最初的请求-回应套路代码改造成多线程版的. 原始版的服务端是单进程单线程程序, 如果请求量比较低的话, 是没有什么问题的, 单线程的ZMQ应用程序吃满一个CPU核心是没有问题的, 但请求量再涨就有点捉襟见肘了, 这个时候就需要让程序吃满多个核心. 当然多进程服务也能完成任务, 但这里主要是为了介绍在多线程编程中使用ZMQ, 所以我们把服务端改造成多线程模式.

另外, 显然你可以使用一个掮客, 再外加一堆服务端结点(无论结点是独立的进程, 还是独立的机器)来让服务端的处理能力更上一层楼. 但这更跑偏了.

还是看代码吧. 服务端代码如下:

#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#include "zmq_helper.h"

static void * worker_routine(void * context)
{
    void * socket_to_main_thread = zmq_socket(context, ZMQ_REP);
    assert(socket_to_main_thread);
    zmq_connect(socket_to_main_thread, "inproc://workers");

    while(1)
    {
        char * strReq = s_recv(socket_to_main_thread);
        printf("Received request: [%s]\n", strReq);
        free(strReq);
        sleep(1);
        s_send(socket_to_main_thread, "World");
    }

    zmq_close(socket_to_main_thread);
    return NULL;
}

int main(void)
{
    void * context = zmq_ctx_new();
    assert(context);

    void * socket_to_client = zmq_socket(context, ZMQ_ROUTER);
    assert(socket_to_client);
    zmq_bind(socket_to_client, "tcp://*:5555");

    void * socket_to_worker_thread = zmq_socket(context, ZMQ_DEALER);
    assert(socket_to_worker_thread);
    zmq_bind(socket_to_worker_thread, "inproc://workers");

    for(int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        pthread_t worker;
        pthread_create(&worker, NULL, worker_routine, context);
    }

    zmq_proxy(socket_to_client, socket_to_worker_thread, NULL);

    zmq_close(socket_to_client);
    zmq_close(socket_to_worker_thread);
    zmq_ctx_destroy(context);

    return 0;
}

这就是一个很正统的设计思路, 多个线程之间是互相独立的, worker线程本身很容易能改造成独立的进程, 主线程做掮客.

使用 PAIR socket 进行线程间通信

来, 下面就是一个例子, 使用PAIR socket完成线程同步, 内部通信使用的是inproc

#include <zmq.h>
#include <pthread.h>
#include "zmq_helper.h"

static void * thread1_routine(void * context)
{
    printf("thread 1 start\n");
    void * socket_to_thread2 = zmq_socket(context, ZMQ_PAIR);
    zmq_connect(socket_to_thread2, "inproc://thread_1_2");

    printf("thread 1 ready, send signal to thread 2\n");

    s_send(socket_to_thread2, "READY");

    zmq_close(socket_to_thread2);
    printf("thread 1 end\n");
    return NULL;
}

static void * thread2_routine(void * context)
{
    printf("thread 2 start\n");
    void * socket_to_thread1 = zmq_socket(context, ZMQ_PAIR);
    zmq_bind(socket_to_thread1, "inproc://thread_1_2");
    pthread_t thread1;
    pthread_create(&thread1, NULL, thread1_routine, context);

    char * str = s_recv(socket_to_thread1);
    free(str);
    zmq_close(socket_to_thread1);

    void * socket_to_mainthread = zmq_socket(context, ZMQ_PAIR);
    zmq_connect(socket_to_mainthread, "inproc://thread_2_main");
    printf("thread 2 ready, send signal to main thread\n");
    s_send(socket_to_mainthread, "READY");

    zmq_close(socket_to_mainthread);
    printf("thread 2 end\n");
    return NULL;
}

int main(void)
{
    printf("main thread start\n");
    void * context = zmq_ctx_new();

    void * socket_to_thread2 = zmq_socket(context, ZMQ_PAIR);
    zmq_bind(socket_to_thread2, "inproc://thread_2_main");
    pthread_t thread2;
    pthread_create(&thread2, NULL, thread2_routine, context);

    char * str = s_recv(socket_to_thread2);
    free(str);
    zmq_close(socket_to_thread2);

    printf("Test over\n");
    zmq_ctx_destroy(context);
    printf("main thread end\n");
    return 0;

}

这个简单的程序包含了几个编写多线程同步时的潜规则:

  1. 线程间同步使用 inproc PAIR 型的socket. 共享context
  2. 父线程bind, 子线程connect

需要注意的是, 上面这种写法的多线程, 很难拆成多个进程, 上面这种写法一般用于压根就不准备拆分的服务端应用程序. inproc很快, 性能很好, 但是不能用于多进程或多结点通信.

另外一种常见的设计就是使用tcp来传递同步信息. 使用tcp使得多线程拆分成多进程成为一种可能. 另外一种同步场景就是使用发布-订阅套路. 而不使用PAIR. 甚至可以使用掮客使用的ROUTER/DEALER进行同步. 但需要注意下面几点:

  1. 在使用PUSH/PULL做同步时, 需要注意: PUSH会把消息广播给所有PULL.注意这一点, 不要把同步消息发给其它线程
  2. 在使用ROUTER/DEALER做同步时. 需要注意: ROUTER会把你发送的消息装进一个"信封", 也就是说, 你调用zmq_send接口发送的消息将变成一个多帧消息被发出去. 如果你发的同步消息不带语义, 那么还好, 如果你发送的消息带语义, 那么请特别小心这一点, 多帧消息的细节将在第三章进行进一步讨论. 而DEALER则会把消息广播给所有对端, 这一点和PUSH一样, 请额外注意. 总之建立在阅读第三章之前, 不要用ROUTER或DEALER做线程同步.
  3. 你还可以使用PUB/SUB来做线程同步. PUB/SUB不会封装你发送的消息, 你发啥就是啥, 但你需要每次为SUB端通过zmq_setsockopt设置过滤器, 否则SUB端收不到任何消息, 这一点很烦.

所以总的来说, 用PAIR是最方便的选择.

不同机器结点间的同步

当你需要同步, 或者协调的两个结点位于两个不同的机器上时, PAIR就不那么好用了, 直接原因就是: PAIR不支持断线重连. 在同一台机器上, 多个进程之间同步, 没问题, 多个线程之间同步, 也没问题. 因为单机内建立起的通讯连接基本不可能发生意外中断, 而一旦发生中断, 一定是进程挂了, 这个时候麻烦事是进程为什么挂了, 而不是通讯连接为什么挂了.

但是在跨机器的结点间进行同步, 就需要考虑到网络波动的原因了. 结点本身上运行的服务可能没什么问题, 但就是网线被剪了, 这种情况下使用PAIR就不再合适了, 你就必须使用其它socket类型了.

另外, 线程同步与跨机器结点同步之间的另外一个重大区别是: 线程数量一般是固定的, 服务稳定运行期间, 线程数目一般不会增加, 也不会减少. 但跨机器结点可能会横向扩容. 所以要考虑的事情就又我了一坨.

我们下面会给出一个示例程序, 向你展示跨机器结点之间的同步到底应该怎么做. 还记得上一章我们讲发布-订阅套路的时候, 提到的, 在订阅方建立连接的那段短暂的时间内, 所有发布方发布的消息都会被丢弃吗? 这里我们将改进那个程序, 在下面改进版的发布-订阅套路中, 发布方会等待所有订阅方都建立连接完成后, 才开始广播消息. 下面将要展示的代码主要做了以下的工作:

  1. PUB方提前知道SUB方的数量
  2. PUB方启动, 等待SUB方连接, 发送就绪信息.
  3. 当所有SUB方连接完毕后, 开始工作.
  4. 而同步工作是由REQ/REP完成的.

来看代码:

发布方代码:

#include <zmq.h>
#include "zmq_helper.h"

#define SUBSCRIBER_EXPECTED 10

int main(void)
{
    void * context = zmq_ctx_new();

    void * socket_for_pub = zmq_socket(context, ZMQ_PUB);

    int sndhwm = 1100000;
    zmq_setsockopt(socket_for_pub, ZMQ_SNDHWM, &sndhwm, sizeof(int));

    zmq_bind(socket_for_pub, "tcp://*:5561");

    void * socket_for_sync = zmq_socket(context, ZMQ_REP);
    zmq_bind(socket_for_sync, "tcp://*:5562");

    printf("waiting for subscribers\n");
    int subscribers_count = 0;
    while(subscribers_count < SUBSCRIBER_EXPECTED)
    {
        char * str = s_recv(socket_for_sync);
        free(str);

        s_send(socket_for_sync, "");
        subscribers_count++;
    }

    printf("broadingcasting messages\n");
    for(int i = 0; i < 1000000; ++i)
    {
        s_send(socket_for_pub, "Lalalal");
    }

    s_send(socket_for_pub, "END");

    zmq_close(socket_for_pub);
    zmq_close(socket_for_sync);
    zmq_ctx_destroy(context);

    return 0;
}

订阅方代码

#include <zmq.h>
#include <unistd.h>
#include "zmq_helper.h"


int main(void)
{
    void * context = zmq_ctx_new();

    void * socket_for_sub = zmq_socket(context, ZMQ_SUB);
    zmq_connect(socket_for_sub, "tcp://localhost:5561");
    zmq_setsockopt(socket_for_sub, ZMQ_SUBSCRIBE, "", 0);

    sleep(1);

    void * socket_for_sync = zmq_socket(context, ZMQ_REQ);
    zmq_connect(socket_for_sync, "tcp://localhost:5562");

    s_send(socket_for_sync, "");

    char * str = s_recv(socket_for_sync);
    free(str);

    int i = 0;
    while(1)
    {
        char * str = s_recv(socket_for_sub);
        if(strcmp(str, "END") == 0)
        {
            free(str);
            break;
        }

        free(str);
        i++;
    }

    printf("Received %d broadcast message\n", i);

    zmq_close(socket_for_sub);
    zmq_close(socket_for_sync);
    zmq_ctx_destroy(context);

    return 0;
}

最后带一个启动脚本:

#! /bin/bash

echo "Starting subscribers..."

for((a=0; a<10; a++)); do
    ./subscriber &
done

echo "Starting publisher..."
./publisher

运行启动脚本之后, 你大概会得到类似于下面的结果:

Starting subscribers...
Starting publisher...
waiting for subscribers
broadingcasting messages
Received 1000000 broadcast message
Received 1000000 broadcast message
Received 1000000 broadcast message
Received 1000000 broadcast message
Received 1000000 broadcast message
Received 1000000 broadcast message
Received 1000000 broadcast message
Received 1000000 broadcast message
Received 1000000 broadcast message
Received 1000000 broadcast message

你看, 这次有了同步手段, 每个订阅者都确实收到了100万条消息, 一条不少

上面的代码还有一个细节需要你注意一下:

注意到在订阅者的代码中, 有一行sleep(1), 如果去掉这一行, 运行结果可能(很小的概率)不是我们期望的那样. 之所以这样做是因为:

先创建用于接收消息的socket_for_sub, 然后connect之. 再去做同步操作. 有可能: 同步的REQ与REP对话已经完成, 但是socket_for_sub的连接过程还没有结束. 这个时候还是会丢掉消息. 也就是说, 这个sleep(1)操作是为了确认: 在同步操作完成之后, 用于发布-订阅套路的通讯连接一定建立好了.

零拷贝

接触过与性能有关的网络编程的*nix端后台开发的同步一定听说这这样的一个术语: 零拷贝(Zero-Copy). 你仔细回想我们通过网络编程接收, 发送消息的过程. 如果我们要发送一个消息, 我们需要把这个消息传递给发送相关的接口, 如果我们需要接收一个消息, 我们需要把我们的缓冲区提供给接收消息的函数.

这里就有一个性能痛点, 特别是在接收消息的时候: 在网络接口API底层, 一定有另外一个缓冲区率先接收了数据, 之后, 你调用收包函数, 诸如recv这样的函数, 将你的缓冲区提供给函数, 然后, 数据需要从事先收到数据的缓冲区, 拷贝至你自己提供给API的缓冲区.

如果我们向更底层追究一点, 会发现网络编程中, 最简单的发收消息模型里, 至少存在着两到三次拷贝, 不光收包的过程中有, 发包也有. 上面讲到的只是离应用开发者最近的一层发生的拷贝动作. 而实际上, 可能发生拷贝的地方有: 应用程序与API交互层, API与协议栈交互层, 协议栈/内核空间交互层, 等等.

对于更深层次来讲, 不是我们应用程序开发者应该关心的地方, 并且时至今日, 从协议栈到离我们最近的那一层, 操作系统基本上都做了避免拷贝的优化. 那么, ZMQ作为一个网络库, 在使用的进修, 应用程序开发就应当避免离我们最近的那一次拷贝.

这也是为什么ZMQ库除了zmq_send与zmq_recv之外, 又配套zmq_msg_t类型再提供了zmq_msg_send与zmq_msg_recv接口的原因. zmq_msg_t内置了一个缓冲区, 可以用来收发消息, 当你使用msg系的接口时, 收与发都发生在zmq_msg_t实例的缓冲区中, 不存在拷贝问题.

总之, 要避免拷贝, 需要以下几步:

  1. 使用zmq_msg_init_data()创建一个zmq_msg_t实例. 接口返回的是zmq_msg_t的句柄. 应用开发者看不到底层实现.
  2. 发送数据时, 将数据通过memcpy之类的接口写入zmq_msg_t中, 再传递给zmq_msg_send. 接收数据时, 直接将zmq_msg_t句柄传递给zmq_msg_recv
  3. 需要注意的是, zmq_msg_t被发送之后, 其中的数据就自动被释放了. 也就是, 对于同一个zmq_msg_t句柄, 你不能连续两次调用zmq_msg_send
  4. zmq_msg_t内部使用了引用计数的形式来指向真正存储数据的缓冲区, 也就是说, zmq_msg_send会将这个计数减一. 当计数为0时, 数据就会被释放. ZMQ库对于zmq_msg_t的具体实现并没有做过多介绍, 也只点到这一层为止.
  5. 所以这时你应该明白, 多个zmq_msg_t是有可能共享同一段二进制数据的. 这也是zmq_msg_copy做的事情. 如果你需要将同一段二进制数据发送多次, 那么请使用zmq_msg_copy来生成额外的zmq_msg_t句柄. 每次zmq_msg_copy操作都将导致真正的数据的引用计数被+1. 每次zmq_msg_send则减1, 引用计数为0, 数据自动释放.
  6. 数据释放其实调用的是zmq_msg_close接口. 注意: 在zmq_msg_send被调用之后, ZMQ库自动调用了zmq_msg_close, 你可以理解为, 在zmq_msg_send内部, 完成数据发送后, 自动调用了zmq_msg_close
  7. 蛋疼的事在收包上. 由于zmq_msg_t的内部实现是一个黑盒, 所以如果要接收数据, 虽然调用zmq_msg_recv的过程中没有发生拷贝, 但应用程序开发者最终还是需要把数据读出来. 这就必须有一次拷贝. 这是无法避免的. 或者换一个角度来描述这个蛋疼的点: ZMQ没有向我们提供真正的零拷贝收包接口. 收包时的拷贝是无可避免的.

最后给大家一个忠告: 拷贝确实是一个后端服务程序的性能问题. 但瓶颈一般不在调用网络库时发生的拷贝, 而在于其它地方的拷贝. zmq_msg_t的使用重心不应该在"优化拷贝, 提升性能"这个点上, 而是第三章要提到和进一步深入讲解的多帧消息.

在发布-订阅套路中使用多帧消息, 即"信封"

之前我们讲到的发布-订阅套路里, 发布者广播的消息全是字符串, 而订阅者筛选过滤消息也是按字符串匹配前几个字符, 这种策略有点土. 假如我们能把发布者广播的消息分成两段: 消息头与消息体. 消息头里写明信息类型, 消息体里再写具体的信息内容. 这样过滤器直接匹配消息头就能决定这个消息要还是不要, 这就看起来洋气多了.

ZMQ中使用多帧消息支持这一点. 发布者发布多帧消息时, 订阅者的过滤器在匹配时, 只匹配第一帧.

多说无益, 来看例子, 在具体展示发布者与订阅者代码之前, 需要为我们的zmq_help.h文件再加一个函数, 用于发送多帖消息的s_sendmore

/*
 * 把字符串作为字节数据, 发送至zmq socket, 但不发送字符串末尾的‘\0‘字节
 * 并且通知socket, 后续还有帧要发送
 * 发送成功时, 返回发送的字节数
 */
static inline int s_sendmore(void * socket, const char * string)
{
    return zmq_send(socket, string, strlen(string), ZMQ_SNDMORE);
}

下面是发布者的代码:

#include <zmq.h>
#include <unistd.h>
#include "zmq_helper.h"

int main(void)
{
    void * context = zmq_ctx_new();
    void * socket = zmq_socket(context, ZMQ_PUB);
    zmq_bind(socket, "tcp://*:5563");

    while(1)
    {
        s_sendmore(socket, "A");
        s_send(socket, "We don‘t want to see this");
        s_sendmore(socket, "B");
        s_send(socket, "We would like to see this");

        sleep(1);
    }

    zmq_close(socket);
    zmq_ctx_destroy(context);

    return 0;
}

下面是订阅者的代码:

#include <zmq.h>
#include "zmq_helper.h"

int main(void)
{
    void * context = zmq_ctx_new();
    void * socket = zmq_socket(context, ZMQ_SUB);
    zmq_connect(socket, "tcp://localhost:5563");
    zmq_setsockopt(socket, ZMQ_SUBSCRIBE, "B", 1);

    while(1)
    {
        char * strMsgType = s_recv(socket);
        char * strMsgContent = s_recv(socket);

        printf("[%s] %s\n", strMsgType, strMsgContent);

        free(strMsgType);
        free(strMsgContent);
    }

    zmq_close(socket);
    zmq_ctx_destroy(socket);

    return 0;
}

这里有两点:

  1. 过滤器过滤的是整个消息, 第一帧对不上, 后面所有的帧都不要了
  2. ZMQ库保证, 多帧消息的传输是原子性的. 你不会收到一个缺帧的消息

高水位阈值

消息越发越快, 越发越多, 你慢慢的就会意识到一个问题: 内存资源很宝贵, 并且很容易被用尽. 如果你不注意到这一点, 服务器上某个进程阻塞个几秒钟, 就炸了.

想象一下这个场景: 在同一台机器上, 有一个进程A在疯狂的向进程B发送消息. 突然, B觉得很累, 休息了3秒(比如CPU过载, 或者B在跑GC吧, 无所谓什么原因), 这3秒钟B处理不过来A发送的数据了. 那么在这3秒钟, A依然疯狂的试图向B发送消息, 会发生什么? 如果B有收包缓冲区的话, 这个缓冲区肯定被塞满了, 如果A有发送缓冲区的话, 这个缓冲区也应该被塞满了. 剩余的没被发出去的消息就堆积到A进程的内存空间里, 这个时候如果A程序写的不好, 那么A进程由于内存被疯狂占用, 很快就会挂掉.

这是一个消息队列里的经典问题, 就是消息生产者和消费者的速度不匹配的时候, 消息中间件应当怎么设计的问题. 这个问题的根其实是在B身上, 但B对于消息队列的设计者来说是不可控的: 这是消息队列使用者写的B程序, 你怎么知道那波屌人写的啥屌代码? 所以虽然问题由B产生, 但最好还是在A那里解决掉.

最简单的策略就是: A保留一些缓存能力, 应对突发性的状况. 超过一定限度的话, 就要扔消息了. 不能把这些生产出来的消息, 发不出去还存着. 这太蠢了.

另外还有一种策略, 如果A只是一个消息中转者, 可以在超过限度后, 告诉生产消息的上流, 你停一下, 我这边满了, 请不要再给我发消息了. 这种情况下的解决方案, 其实就是经典的"流控"问题. 这个方案其实也不好, A只能向上游发出一声呻吟, 但上游如果执意还是要发消息给A, A也没办法去剪网线, 所以转一圈又回来了: 还是得扔消息.

ZMQ里, 有一个概念叫"高水位阈值", (high-water mark. HWM), 这个值其实是网络结点自身能缓存的消息的能力. 在ZMQ中, 每一个活动的连接, 即socket, 都有自己的消息缓冲队列, HWM指的就是这个队列的容量. 对于某些socket类型, 诸如SUB/PULL/REQ/REP来说, 只有收包队列. 对于某此socket类型来说, 诸如DEALER/ROUTER/PAIR, 既能收还能发, 就有两个队列, 一个用于收包, 一个用于发包.

在ZMQ 2.X版本中, HWM的值默认是无限的. 这种情况下很容易出现我们这一小节开头讲的问题: 发送消息的api接口永远不会报错, 对端假死之后内存就会炸. 在ZMQ 3.X版本中, 这个值默认是1000, 这就合理多了.

当socket的HWM被触及后, 再调用发送消息接口, ZMQ要么会阻塞接口, 要么就扔掉消息. 具体哪种行为取决于sokcet的类型.

  1. 对于PUB和ROUTER类型的socket来说, 会扔数据.
  2. 对于其它类型的socket, 会阻塞接口.

显然在这种情况下, 如果以非阻塞形式发包, 接口会返回失败.

另外, 很特殊的是, inproc类型两端的两个socket共享同一个队列: 真实的HWM值是双方设置的HWM值的总和. 你可以将inproc方式想象成一根管子, 双方设置HWM时只是在宣称我需要占用多长的管子, 但真实的管子长度是二者的总和.

最后, 很反直觉的是, HWM的单位是消息个数, 而不是字节数. 这就很有意思了. 另外, HWM触顶时, 队列中的消息数量一般不好刚好就等于你设置的HWM值, 真实情况下, 可能会比你设置的HWM值小, 极端情况下可能只有你设置的HWM的一半.

数据丢失问题

当你写代码, 编译, 链接, 运行, 然后发现收不到消息, 这个时候你应当这样排查:

  1. 如果你使用的是SUB类型的socket, 检查一下有没有调用zmq_setsockopt设置过滤器
  2. 如果你使用的是SUB类型的socket, 谨记在建立连接过程中, 对端的PUB发送的数据你是收不到了, 如果你确实想要这部分数据, 请做同步处理

  3. 如果你使用的是SUB类型的socket, 上面两点你都做正确了, 还是有可能收不到消息. 这是因为ZMQ内部的队列在连接建立之后可能还没有初始化完成. 这种情况没什么好的解决办法, 有两个土办法

    1. 让消息发送方在同步之后再sleep(1)
    2. 如果拓扑允许的话在, 让SUB socket去执行bind操作, 反过来让PUB socket去执行connect操作. 这是ZMQ官方给出的糊屎方法, 我都不知道该怎么吐槽.
  4. 如果你使用的是REQ/REP类型的socket, 注意收与发的先后顺序, 顺序错了调用收发包接口会报错, 这个时候如果你忽略掉了报错, 程序的行为会和丢包差不多.
  5. 如果你在使用PUSH/PULL类型的socket, 如果你发现消息的分发不是公平的, 那可能是因为在发送消息时, 还有PULL没有与PUSH建立连接, 于是这个PULL就没有位于公平分发的候选人中. 使用PUSH/PULL要特别注意这一点.
  6. 如果你在线程间共享了socket句柄, 赶紧改代码, 顺便打自己两巴掌.
  7. 如果你使用的是inproc通讯手段, 那么请确保通信的双方创建socket时使用的context是同一个context.
  8. ROUTER socket最能造作. 第三章会看到, ROUTER与DEALER涉及到会话追踪, 如果这部分内容出现异常, 也会类似于数据丢失.

  9. 最后, 如果你确实找不到出错的原因, 但就是看不到消息, 请考虑向ZeroMQ 社区提问.

以上是关于ZeroMQ 教程 002 : 高级技巧的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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