libevent和基于libevent的网络编程

Posted 2020-10-18 专注it

1 libevent介绍和安装

介绍

libevent是一个轻量级的基于事件驱动的高性能的开源网络库，并且支持多个平台，对多个平台的I/O复用技术进行了封装，当我们编译库的代码时，编译的脚本将会根据OS支持的处理事件机制，来编译相应的代码，从而在libevent接口上保持一致。

在当前的服务器上，面对的主要问题就是要能处理大量的连接。而通过libevent这个网络库，我们就可以调用它的API来很好的解决上面的问题。首先，可以来回顾一下，对这个问题的传统解决方法。

问题： 如何处理多个客户端连接

解决方案1：I/O复用技术

这几种方式都是同步I/O，即当读写事件就绪，他们自己需要负责进行读写，这个读写过程是阻塞的，而异步I/O则不需要自己负责读写，只需要通知负责读写的程序就可以了。

• 循环
  假设当前我服务器有多个网络连接需要看管，那么我就循环遍历打开的网络连接的列表，来判断是否有要读取的数据。这种方法的缺点很明显，那就是 1.速度缓慢（必须遍历所有的网络连接） 2.效率低 （处理一个连接时可能发生阻塞，妨碍其他网络连接的检查和处理）

• select方式
  select对应于内核中的sys_select调用，sys_select首先将第二三四个参数指向的fd_set拷贝到内核，然后对每个被SET的描述符调用进行poll，并记录在临时结果中（fdset），如果有事件发生，select会将临时结果写到用户空间并返回；当轮询一遍后没有任何事件发生时，如果指定了超时时间，则select会睡眠到超时，睡眠结束后再进行一次轮询，并将临时结果写到用户空间，然后返回。
  select返回后，需要逐一检查关注的描述符是否被SET（事件是否发生）。（select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024）。

• poll方式
  poll与select不同，通过一个pollfd数组向内核传递需要关注的事件，故没有描述符个数的限制，pollfd中的events字段和revents分别用于标示关注的事件和发生的事件，故pollfd数组只需要被初始化一次。
  poll的实现机制与select类似，其对应内核中的sys_poll，只不过poll向内核传递pollfd数组，然后对pollfd中的每个描述符进行poll，相比处理fdset来说，poll效率更高。
  poll返回后，需要对pollfd中的每个元素检查其revents值，来得指事件是否发生。

• epoll方式
  epoll通过epoll_create创建一个用于epoll轮询的描述符，通过epoll_ctl添加/修改/删除事件，通过epoll_wait检查事件，epoll_wait的第二个参数用于存放结果。
  epoll与select、poll不同，首先，其不用每次调用都向内核拷贝事件描述信息，在第一次调用后，事件信息就会与对应的epoll描述符关联起来。其次，epoll不是通过轮询，而是通过在等待的描述符上注册回调函数，当事件发生时，回调函数负责把发生的事件存储在就绪事件链表中，最后写到用户空间。
  epoll返回后，该参数指向的缓冲区中即为发生的事件，对缓冲区中每个元素进行处理即可，而不需要像poll、select那样进行轮询检查。

解决方案2：多线程技术或多进程技术

多线程技术和多进程技术也可以处理高并发的数据连接，因为在服务器中可以产生大量的进程和线程和处理我们需要监视的连接。但是，这两种方式也是有很大的局限性的，比如多进程模型就不适合大量的短连接，因为进程的产生和关闭需要消耗较大的系统性能，同样，还要进程进程间的通信，在CPU性能不足的情况下不太适合。而多线程技术则不太适合处理长连接，因为当我们建立一个进程时，linux中会消耗8G的栈空间，如果我们的每个连接都杵着不断开，那么大量连接长连接后，导致的结果就是内存的大量消耗。

解决方案3：常用的上述二者复合使用
上述的两种方法各具有优缺点，因此，我们可以将上述的方法结合起来，这也是目前使用较多的处理高并发的方法。多进程+I/O复用或者多线程+I/O复用。而在具体的实现上，又可以分为很多的方式。比如多线程+I/O复用技术，我们使用使用一个主线程负责监听一个端口和接受的描述符是否有读写事件产生，如果有，则将事件分发给其他的工作进程去完成，这也是进程池的理念。

在说完上述的高并发的处理方法之后，我们可以来介绍一个libevent的主要特色了。

同样，lievent也是采用的上述系统提供的select，poll和epoll方法来进行I/O复用，但是针对于多个系统平台上的不同的I/O复用实现方式，libevent进行了重新的封装，并提供了统一的API接口。libevent在实现上使用了事件驱动这种机制，其本质上是一种Reactor模式。

Reactor模式，是一种事件驱动机制。应用程序需要提供相应的接口并注册到Reactor上，如果相应的事件发生，Reactor将主动调用应用程序注册的接口，这些接口又称为“回调函数”。

在Libevent中也是一样，向Libevent框架注册相应的事件和回调函数；当这些事件发生时，Libevent会调用这些回调函数处理相应的事件。

lbevent的事件支持三种，分别是网络IO、定时器和信号。定时器的数据结构使用最小堆（Min Heap），以提高效率。网络IO和信号的数据结构采用了双向链表(TAILQ)。

安装

libevent的安装很简单，我是直接从github上clone下一个源码，然后进行编译安装的。

具体的命令是（假设你已经安装了git）：

  # git clone https://github.com/nmathewson/Libevent.git
  # cd Libevent
  # sh autogen.sh
  # ./configure && make
  # make install
  # make verify  //验证安装

2 Linux下libevent主要API介绍

现在的libevent版本已经到达libevent2了，其增加了多线程的支持，API函数也发生了一些微小的变化。

• 创建事件集

  struct event_base *event_base_new(void)

• 创建事件

  struct event event_new(struct event_base ,evutil_socket_t ,short ,event_callback_fn,void*)

  参数一：事件所在的事件集。
  参数二：socket的描述符。
  参数三：事件类型，其中EV_READ表示等待读事件发生，EV_WRITE表示写事件发生，或者它俩的组合，EV_SIGNAL表示需要等待事件的号码，如 果不包含上述的标志，就是超时事件或者手动激活的事件。
  参数四：事件发生时需要调用的回调函数。
  参数五：回调函数的参数值。

• 添加事件和删除事件

  int event_add(struct event * ev,const struct timeval* timeout)

  参数一：需要添加的事件
  参数二：事件的最大等待事件，如果是NULL的话，就是永久等待

  int event_del(struct event *)
  参数一：需要删除的事件

• 分配监听事件

  int event_base_dispatch(struct event_base * )

  参数一：需要监视的事件集

• I/O buffer事件

  struct bufferevent* bufferevent_socket_new
  (struct event_base * base,evutil_socket_t fd,int options)

  参数一：需要添加到的时间集
  参数二：相关的文件描述符
  参数三：0或者是相应的BEV_OPT_*可选标志

  int bufferevent_enable(struct bufferevent * bev,short event)

  参数一：需要启用的bufferevent
  参数二：any combination of EV|READ | EV_WRITE

  int bufferevent_disable(struct bufferevent * bev,short event)

  参数说明：同上

  size_t bufferevent_read(struct bufferevent bev,void data,size_t size)

  参数一：读取的buffer_event事件
  参数二：存储数据的指针
  参数三：数据buffer的大小

  返回值：读取数据的字节数

  int bufferevent_write(struct bufferevent bev,const void data,size_t size)

  参数一：读取的buffer_event事件
  参数二：存储数据的指针
  参数三：要写入的数据的大小，字节数

如果你想知道更多的API使用情况，请点击这里。

3.1 编程实例之聊天室服务器

下面，就基于libevent2编写一个聊天室服务器。

设计思想：首先创建一个套接字，进而创建一个事件对此端口进行监听，将所请求的用户组成一个队列，并监听所有的用户事件，当某个用户说话了，产生了读事件，就将该用户的发言发送给队列中的其他用户。

程序分析

需要包含的libevent函数头：

#include <event2/event.h>
#include <event2/event_struct.h>
#include <event2/bufferevent.h>
#include <event2/buffer.h>

创建一个client结构体，接受连接后存放数据：

struct client {
/* The clients socket. */
    int fd;

/* The bufferedevent for this client. */
struct bufferevent *buf_ev;
    struct bufferevent *buf_ev;
/*
 * This holds the pointers to the next and previous entries in
 * the tail queue.
 */
    TAILQ_ENTRY(client) entries;
};

先来看下mian函数的处理：

int
main(int argc, char **argv)
{
    int listen_fd;
    struct sockaddr_in listen_addr;
    struct event ev_accept;
    int reuseaddr_on;

    /* Initialize libevent. */
    evbase = event_base_new();

    /* Initialize the tailq. */
    TAILQ_INIT(&client_tailq_head);

    /* Create our listening socket. */
    listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (listen_fd < 0)
        err(1, "listen failed");
    memset(&listen_addr, 0, sizeof(listen_addr));
    listen_addr.sin_family = AF_INET;
    listen_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    listen_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
    
    if (bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&listen_addr,
    sizeof(listen_addr)) < 0)
    err(1, "bind failed");
    if (listen(listen_fd, 5) < 0)
    err(1, "listen failed");
    reuseaddr_on = 1;
    setsockopt(listen_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuseaddr_on, 
    sizeof(reuseaddr_on));

    /* Set the socket to non-blocking, this is essential in event
     * based programming with libevent. */
    if (setnonblock(listen_fd) < 0)
    err(1, "failed to set server socket to non-blocking");

    /* We now have a listening socket, we create a read event to
    * be notified when a client connects. */
    event_assign(&ev_accept, evbase, listen_fd, EV_READ|EV_PERSIST, 
    on_accept, NULL);
    event_add(&ev_accept, NULL);

    /* Start the event loop. */
    event_base_dispatch(evbase);

    return 0;
}

首先，函数初始化了一个用户队列tailq，接着创建了一个socket套接字，并将套接字设定为非阻塞模式，接着对一个全局的evbase事件集合，注册了事件，事件源是listen_fd，回调函数是on_accept，事件发生的情况是EV_READ,而且标志EV_PESIST表明该事件一直存在，而后开启事件扫描循环event_base_dispatch(evbase)。

再看一下回调函数on_accpet实现：

void
on_accept(int fd, short ev, void *arg)
{
    int client_fd;
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
    struct client *client;

    client_fd = accept(fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
    if (client_fd < 0) {
        warn("accept failed");
        return;
    }

    /* Set the client socket to non-blocking mode. */
    if (setnonblock(client_fd) < 0)
        warn("failed to set client socket non-blocking");

    /* We‘ve accepted a new client, create a client object. */
    client = calloc(1, sizeof(*client));
    if (client == NULL)
        err(1, "malloc failed");
    client->fd = client_fd;

    client->buf_ev = bufferevent_socket_new(evbase, client_fd, 0);
    bufferevent_setcb(client->buf_ev, buffered_on_read, NULL,
        buffered_on_error, client);

    /* We have to enable it before our callbacks will be
    * called. */
    bufferevent_enable(client->buf_ev, EV_READ);

    /* Add the new client to the tailq. */
    TAILQ_INSERT_TAIL(&client_tailq_head, client, entries);

    printf("Accepted connection from %s\n", 
        inet_ntoa(client_addr.sin_addr));
}

这个回调函数的作用很显然，就是接受了一个客户端的请求，并申请好了一个client信息，将需要的内容填写好，在填写中需要注意的是，又向上述的事件集evbase中注册了一个bufferevent事件client->buf_ev,并注册了回调函数buffered_on_read,buffered_on_error，这三个函数分别是当接受后的连接发生了读或者错误事件后的执行函数。接着，将用户的client结构放入了用户的队列tailq中去。

用户的buffer可读后的执行函数：

void
buffered_on_read(struct bufferevent *bev, void *arg)
{
    struct client *this_client = arg;
    struct client *client;
    uint8_t data[8192];
    size_t n;

    /* Read 8k at a time and send it to all connected clients. */
    for (;;) {
        n = bufferevent_read(bev, data, sizeof(data));
        if (n <= 0) {
            /* Done. */
            break;
        }
    
        /* Send data to all connected clients except for the
         * client that sent the data. */

        TAILQ_FOREACH(client, &client_tailq_head, entries) {
            if (client != this_client) {
                bufferevent_write(client->buf_ev, data,  n);
            }
        }

    }

}

执行函数的作用很明显，将libevent管理中的buffer数据读取出，存入本地的data数组内，然后对队列中的client进行检索，如果不是发数据的client,则将数据写入该client的buffer中，发送给该用户。这里注意的是需要反复读取buffer中的数据，防止一个读取并没有读取干净，直到读取不到数据为止。

buffer出错处理函数和上述函数差不多，功能就是出错后，结束掉保存的client结构，详细就不说了。

程序源码： chat-server.c Makefile

编译的时候记得修改Makefile中Libevent文件夹的位置

3.2 编程实例之回显服务器（纯异步IO）

设计思想：所谓回显服务器就是将客户端发过来的数据再发回去，这里主要也就是说明libevent的纯IO复用实现。实现方法和上面的差不多，甚至可以说更加简单。

程序和上面的聊天服务器差不多，只是在buffer可读的事件函数中，不是将用户的数据发送给其他用户，而是直接发送给用户本身。

程序源码： libevent_echosrv_buffered.c Makefile

3.3 编程实例之回显服务器（多线程--per connection per thread）

设计思想：上面的方法单纯使用libevent的简单函数来实现服务，但是这里，我们假设我们需要处理的客户端很少，于是我们可以使用对于每个连接我们分配一个线程这样的方式来实现对用户的服务。这种方式简单有效，一对一服务，就算业务逻辑出现阻塞也不怕。

程序分析

首先定义了一些数据结构，worker数据结构定义的是一个工作者，它包含有一个工作线程，和结束标志，需要获取的工作队列，和建立链表需要的指针。job数据结构定义的是操作一个job的方法和对象，这回到程序中，实际上就是指的是事件发生后，封装好的client结构体和处理这个结构体的方法。workqueue数据结构指的是当前的工作队列中的工作者，以及工作队列中的待完成的工作，以及互斥锁和条件变量（因为多个工作进程需要访问这些资源）。

具体的流程就是，用一个主线程监听一个套接字，并将套接字接受到的连接accept，并创建一个client数据结构保存该连接的信息，在这个client结构中注册一个bufferevent事件，注册到client->evbase上（这时候这是向client中的evbase注册了一个事件还没有进行循环这个事件集）。

接着，当监听到某个client有bufferevent事件发生，主线程就把该client结构体和需要进行的工作方法包装成一个job结构，然后把这个job扔到workqueue上去，并通知各个工作者。而后，各个工作者开着的线程就被激活了，疯狂地去workqueue上去抢工作做，某个worker拿到工作后，就可以解包job，根据job的工作说明书（job_function）操作工作对象（client）了。这里，job的工作说明有是循环client中的client->evbase，于是这样线程就会一直去监视这个连接的状态，如果有数据就这会调用回调函数进行处理。同时，这个线程也就是阻塞在这里，这对这一个连接负责。

建立workqueue需要的结构体和函数有：

typedef struct worker {
    pthread_t thread;
    int terminate;
    struct workqueue *workqueue;
    struct worker *prev;
    struct worker *next;
} worker_t;

typedef struct job {
    void (*job_function)(struct job *job);
    void *user_data;
    struct job *prev;
    struct job *next;
} job_t;

typedef struct workqueue {
    struct worker *workers;
    struct job *waiting_jobs;
    pthread_mutex_t jobs_mutex;
    pthread_cond_t jobs_cond;
} workqueue_t;

int workqueue_init(workqueue_t *workqueue, int numWorkers);

void workqueue_shutdown(workqueue_t *workqueue);

void workqueue_add_job(workqueue_t *workqueue, job_t *job);

主线程的on_accept函数为：

void on_accept(evutil_socket_t fd, short ev, void *arg) {
    int client_fd;
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
    workqueue_t *workqueue = (workqueue_t *)arg;
    client_t *client;
    job_t *job;

    client_fd = accept(fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
    if (client_fd < 0) {
        warn("accept failed");
        return;
    }

    /* Set the client socket to non-blocking mode. */
    if (evutil_make_socket_nonblocking(client_fd) < 0) 
    {
        warn("failed to set client socket to non-blocking");
        close(client_fd);
        return;
    }

    /* Create a client object. */
    if ((client = malloc(sizeof(*client))) == NULL) 
    {
        warn("failed to allocate memory for client state");
        close(client_fd);
        return;
    }
    memset(client, 0, sizeof(*client));
    client->fd = client_fd;

    /* Add any custom code anywhere from here to the end of this function
    * to initialize your application-specific attributes in the client struct.
    */

    if ((client->output_buffer = evbuffer_new()) == NULL) 
    {
        warn("client output buffer allocation failed");
        closeAndFreeClient(client);
        return;
    }

    if ((client->evbase = event_base_new()) == NULL) 
    {
        warn("client event_base creation failed");
        closeAndFreeClient(client);
        return;
    }

    client->buf_ev = bufferevent_socket_new(client->evbase, client_fd, BEV_OPT_CLOSE_ON_FREE);
    if ((client->buf_ev) == NULL) {
        warn("client bufferevent creation failed");
        closeAndFreeClient(client);
        return;
    }
    bufferevent_setcb(client->buf_ev, buffered_on_read, buffered_on_write,
                  buffered_on_error, client);

    /* We have to enable it before our callbacks will be
     * called. */
    bufferevent_enable(client->buf_ev, EV_READ);

    /* Create a job object and add it to the work queue. */
    if ((job = malloc(sizeof(*job))) == NULL) {
        warn("failed to allocate memory for job state");
        closeAndFreeClient(client);
        return;
    }
    job->job_function = server_job_function;
    job->user_data = client;

    workqueue_add_job(workqueue, job);
}

job中的工作指南为：

static void server_job_function(struct job *job) {
    client_t *client = (client_t *)job->user_data;
    //do my job
    event_base_dispatch(client->evbase);
    
    closeAndFreeClient(client);
    free(job);
}

程序源码： echoserver_threaded.c workqueue.c workqueue.h Makefile

3.4 编程实例之回显服务器（多线程--线程池+异步IO）

设计思想：假设我们的用户很多，高并发，长连接，那么我们还是来用I/O复用和线程池实现吧，用一个控制线程通过I/O复用负责监听和分发事件，用一组线程池来进行处理事件，这样就可以灵活地将控制逻辑和业务逻辑分开了，见下述讲解。

程序分析
具体的流程和上面的差不多，用一个主线程监听一个套接字，并将套接字接受到的连接accept，并创建一个client数据结构保存该连接的信息，在这个client结构中注册一个bufferevent事件，但是这里，将事件注册到accept_evbase中，仍然用主线程进行监听。

而面对监听后出现的事件，将client和操作client的方法打包成一个job，放到上述的workqueue中去，让工作进程来完成。这样的操作和上述的差别在于上述方法将bufferevent注册到client中的evbase中，用工作线程监听，而本方法用主线程监听，工作线程负责处理监听产生的事件。

这要的差别在于两个函数 on_accept函数:

void on_accept(evutil_socket_t fd, short ev, void *arg) {
    int client_fd;
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
    client_t *client;

    client_fd = accept(fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
    if (client_fd < 0) {
        warn("accept failed");
        return;
    }

    /* Set the client socket to non-blocking mode. */
    if (evutil_make_socket_nonblocking(client_fd) < 0) {
        warn("failed to set client socket to non-blocking");
        close(client_fd);
        return;
    }

    /* Create a client object. */
    if ((client = malloc(sizeof(*client))) == NULL) {
        warn("failed to allocate memory for client state");
        close(client_fd);
        return;
    }
    memset(client, 0, sizeof(*client));
    client->fd = client_fd;

    /* Add any custom code anywhere from here to the end of this function
     * to initialize your application-specific attributes in the client struct.
    */

    if ((client->output_buffer = evbuffer_new()) == NULL) {
        warn("client output buffer allocation failed");
        closeAndFreeClient(client);
        return;
    }
    //需要注意的是，这里注册到evbase_accept
    client->buf_ev = bufferevent_socket_new(evbase_accept, client_fd,BEV_OPT_CLOSE_ON_FREE);
    if ((client->buf_ev) == NULL) {
        warn("client bufferevent creation failed");
        closeAndFreeClient(client);
        return;
    }
    bufferevent_setcb(client->buf_ev, buffered_on_read, buffered_on_write,
                  buffered_on_error, client);

    /* We have to enable it before our callbacks will be
    * called. */
    bufferevent_enable(client->buf_ev, EV_READ);
}

在buffered_on_read中，提交job。

void buffered_on_read(struct bufferevent *bev, void *arg) 
{
    client_t *client = (client_t *)arg;
    job_t *job;

    /* Create a job object and add it to the work queue. */
    if ((job = malloc(sizeof(*job))) == NULL) {
        warn("failed to allocate memory for job state");
        closeAndFreeClient(client);
        return;
    }
    job->job_function = server_job_function;
    job->user_data = client;

    workqueue_add_job(&workqueue, job);
}

在job工作指南server_job_function中就可以做你工作该做的事儿了，根据发来的信息进行数据库处理，http返回等等。

程序源码： echoserver_threaded.c workqueue.c workqueue.h Makefile