基于线程池消息队列和epoll模型实现Client-Server并发架构

Posted 2021-12-28 icoty23

引言

并发是什么？企业在进行产品开发过程中为什么需要考虑这个问题？想象一下天猫的双11和京东的618活动，一秒的点击量就有几十万甚至上百万，这么多请求一下子涌入到服务器，服务器需要对这么多的请求逐个进行消化掉，假如服务器一秒的处理能力就几万，那么剩下的不能及时得到处理的这些请求作何处理？总不能让用户界面一直等着，因此消息队列应运而生，所有的请求都统一放入消息队列，工作线程从消息队列不断的消费，消息队列相当于一个缓冲区，可达到解藕、异步和削峰的目的。

Kafka、ActiveMQ、RabbitMQ和RockerMQ都是消息队列的典型，每一种都有其自身的优势和劣势。本文我用自己编写的Buffer类模拟消息队列，如果是企业级需要上线的应用，一般都是基于业界已有的MQ框架上开发。

需求原型

1. N个Client从标准输入接收数据，然后连续不断的发送到Server端；
2. Server端接收来自每个Client的数据，将数据中的小写字母全部转换成大写字母，其他字符保持不变，最后把转换结果发送给对应的Client。

需求分解

1. 拿到需求，第一步要做的就是分析需求并选择合适的设计架构，考虑到Server需要和Client进行通信，Client来自四面八方，端对端通信自然选择TCP，因此Server端需要能够监听新的连接请求和已有连接的业务请求；
2. 又由于Server需要响应多个Client的业务请求，我们希望把业务处理交给Server端的工作线程（消费者）来做；
3. 同时还需要一个IO线程负责监听Socket描述符，当IO线程监听到已有连接的业务请求时，立即把请求内容封装成一个任务推入消息队列尾；
4. IO线程与工作线程互斥访问消息队列，当然工作线程消费一个任务或者IO线程添加一个任务都需要通知对方，也就是同步；
5. 工作线程处理完毕后，把处理结果交给IO线程，由IO线程负责把结果发送给对应的Client，也就是IO线程与工作线程的分离，这里工作线程通知IO线程的方式我用eventfd来实现；
6. 我们希望引入Log4cpp记录服务端的日志，并能够保存到文件中；
7. 分析完这些，一个整体架构和大体的样子在脑海中就已经形成了，接着就需要编写设计文档和画流程图、类图和时序图了。

详细设计文档

1.UML静态类图：

2.UML动态时序图：

效果

1.如图，开了三个Client，运行结果正确：

2.Server端通过Log4cpp把日志写到文件中：

源码获取

https://github.com/icoty/cs_threadpool_epoll_mq

目录结构

.
├── client                   // 客户端Demo
│?? ├── Client.cc
│?? ├── Client.exe
│?? ├── client.sh    // 进入该目录下启动Client Demo: sh client.sh
│?? ├── Log4func.cc // 引入日志模块重新疯转
│?? ├── Log4func.h
│?? └── Makefile     // 编译方式：make
├── conf
│?? └── my.conf // IP,Port配置文件, 从这里进行修改
├── include // 头文件
│?? ├── Configuration.hpp // 配置文件,单例类,my.conf的内存化
│?? ├── FileName.hpp // 全局定义,Configuration会用到
│?? ├── log // 日志模块头文件
│?? │?? └── Log4func.hpp
│?? ├── net // 网络框架模块头文件
│?? │?? ├── EpollPoller.hpp
│?? │?? ├── InetAddress.hpp
│?? │?? ├── Socket.hpp
│?? │?? ├── SockIO.hpp
│?? │?? ├── TcpConnection.hpp
│?? │?? └── TcpServer.hpp
│?? ├── String2Upper.hpp // 工作线程转换成大写实际走的这里面的接口
│?? ├── String2UpperServer.hpp // Server端的整个工厂
│?? └── threadpool // 线程池、锁、条件变量和消息队列的封装
│??     ├── Buffer.hpp
│??     ├── Condition.hpp
│??     ├── MutexLock.hpp
│??     ├── Noncopyable.hpp
│??     ├── Pthread.hpp
│??     ├── Task.hpp
│??     └── Threadpool.hpp
├── log // Server端的日志通过Log4cpp记录到这个文件中
│?? └── log4test.log
├── Makefile // 编译方式：make
├── README.md 
├── server // server端Demo
│?? ├── server.exe
│?? └── server.sh // 进入该目录下启动Server Demo：sh server.sh
└── src // 源文件
    ├── Configuration.cpp
    ├── log
    │?? └── Log4func.cpp
    ├── main.cpp
    ├── net
    │?? ├── EpollPoller.cpp
    │?? ├── InetAddress.cpp
    │?? ├── Socket.cpp
    │?? ├── SockIO.cpp
    │?? ├── TcpConnection.cpp
    │?? └── TcpServer.cpp
    ├── String2Upper.cpp
    ├── String2UpperServer.cpp
    └── threadpool
    ├── Buffer.cpp
    ├── Condition.cpp
    ├── MutexLock.cpp // MutexLockGuard封装
    ├── Pthread.cpp
    └── Threadpool.cpp

参考文献

[1] UNIX环境高级编程第3版
[2] cpp reference
[3] UML时序图
[4] Log4cpp官网下载
[5] Log4cpp安装