单线程Reactor模型

news2024/12/23 4:29:33

单线程Reactor模型

Reactor模型只是对select\poll\epoll等网络模型的封装，本文讲解基于epoll实现Reactor模型

Reactor模型

单线程Reactor模型较为简单，如图：

20230107161748

服务器接收多个client连接请求后，统一交由Reactor处理，其中，新连接请求与数据交互分开处理：

当服务器到达一个新连接后 => 交给Acceptor处理，调用accept()取出连接文件描述符connfd =>为这个connfd绑定回调函数，加入Handler => Handler将connfd及其回调函数加入epoll => epoll检测到这个connfd有事件发生时，调用其回调函数

设计实现

Reactor主要由两部分组成

  1. fd和其绑定的回调函数
  2. 监听fd，调用其对应的回调函数

其实epoll中,data.ptr本身就可以指向一个callback，在这种情况下，就可以视为一种reactor模式了；但是对于select和poll，本身不能进行fd与callback的绑定，需要在用户态记录fd和callback的映射关系

由于本文的重点是Reactor模型，而且记录fd和callback的映射关系有很多的方便之处（如fd读写事件的切换，底层网络模型的更换等），其实现设计图如下：

20230107172649

Reactor组成：

  1. evblk：记录fd和回调函数的映射
    • 事件数组：长度1024，索引为fd，值为ntyevent
    • 块链表：当fd数量较多时，就需要新申请事件数组和块链表节点，挂到块链表上
    • 由于进程内fd顺序增长，所以块链表节点采用尾插法（块链表也可以换成数组或deque）
  2. epfd：创建一个epoll，监听事件
    • 将evblk中的数组元素加入epoll

API

  1. 回调函数
    • recv_cb()：fd指定可读事件时，绑定到connfd
    • send_cb()：fd指定可写事件时，绑定到connfd
    • accept_cb()：fd指定可读事件时，绑定到listenfd（全连接队列非空）
  2. reactor
    • ntyreactor_init()：创建epoll，reactor结构体初始化
    • ntyreactor_alloc()：分配事件数组和对应的块节点，插入到evblk中
    • ntyreactor_idx()：evblk索引函数
    • ntyreactor_destory()：销毁reactor
  3. 事件
    • nty_event_set()：设置事件数组元素值，也就是为fd绑定回调函数
    • nty_event_add()：将事件加入epoll以被监听
    • ntyreactor_addlistener()：调用nty_event_set()和nty_event_add()，主要用于socket初始化后，为listenfd绑定accept_cb函数
    • ntyreactor_run：对于就绪的事件，执行对应的回调函数

代码实现

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <arpa/inet.h>

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <time.h>


#define BUFFER_LENGTH		4096
#define MAX_EPOLL_EVENTS	1024
#define SERVER_PORT			8888
#define PORT_COUNT			100

typedef int NCALLBACK(int ,int, void*);

struct ntyevent {
	int fd;
	int events;    //对应的监听事件，EPOLLIN和EPOLLOUT（不同的事件，走不同的回调函数）
	void *arg;    // reactor指针
	int (*callback)(int fd, int events, void *arg);
	int status;         // epoll是否监听
	char buffer[BUFFER_LENGTH];  // 读写buff也可分别设置
	int length;      // 实际从buff读取写入的数据长度
	long last_active;
};

struct eventblock {   // 块节点
	struct eventblock *next;
	struct ntyevent *events;
};

struct ntyreactor {   
	int epfd;
	int blkcnt;    // 块节点的数量
	struct eventblock *evblk; // 存100w个连接 数组（fd定死了），deque等，这里采用链表
};

int recv_cb(int fd, int events, void *arg);
int send_cb(int fd, int events, void *arg);
struct ntyevent *ntyreactor_idx(struct ntyreactor *reactor, int sockfd);

// 设置reactor中的ntyevent节点
void nty_event_set(struct ntyevent *ev, int fd, NCALLBACK callback, void *arg) {
	ev->fd = fd;
	ev->callback = callback;
	ev->events = 0;
	ev->arg = arg;
	ev->last_active = time(NULL);
	return ;
}

// ntyevent节点加入reactor后,还需加入epoll监听
int nty_event_add(int epfd, int events, struct ntyevent *ev) {

	struct epoll_event ep_ev = {0, {0}};
	ep_ev.data.ptr = ev;
	ep_ev.events = ev->events = events;

	int op;
	if (ev->status == 1) {
		op = EPOLL_CTL_MOD;
	} else {
		op = EPOLL_CTL_ADD;
		ev->status = 1;
	}

	if (epoll_ctl(epfd, op, ev->fd, &ep_ev) < 0) {
		printf("event add failed [fd=%d], events[%d]\n", ev->fd, events);
		return -1;
	}

	return 0;
}

// 从epoll中删除该fd，不再监听
int nty_event_del(int epfd, struct ntyevent *ev) {

	struct epoll_event ep_ev = {0, {0}};
	if (ev->status != 1) {
		return -1;
	}

	ep_ev.data.ptr = ev;
	ev->status = 0;
	epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &ep_ev);

	return 0;
}
// fd从监听读事件，变成监听写事件
int recv_cb(int fd, int events, void *arg) {

	struct ntyreactor *reactor = (struct ntyreactor*)arg;
	struct ntyevent *ev = ntyreactor_idx(reactor, fd);

	int len = recv(fd, ev->buffer, BUFFER_LENGTH , 0); // 读读缓冲区
	nty_event_del(reactor->epfd, ev);   // 将该fd从epoll中删除，该fd需改成写事件加入epoll

	if (len > 0) {
		ev->length = len;
		ev->buffer[len] = '\0';
		printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buffer);
		nty_event_set(ev, fd, send_cb, reactor);
		nty_event_add(reactor->epfd, EPOLLOUT, ev);
	} else if (len == 0) {
		close(ev->fd);
		//printf("[fd=%d] pos[%ld], closed\n", fd, ev-reactor->events);
		 
	} else {
		close(ev->fd);
		printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno));
		
	}

	return len;
}
// fd从监听写事件，变成监听读事件
int send_cb(int fd, int events, void *arg) {

	struct ntyreactor *reactor = (struct ntyreactor*)arg;
	struct ntyevent *ev = ntyreactor_idx(reactor, fd);

	int len = send(fd, ev->buffer, ev->length, 0);
	if (len > 0) {
		printf("send[fd=%d], [%d]%s\n", fd, len, ev->buffer);
		nty_event_del(reactor->epfd, ev);
		nty_event_set(ev, fd, recv_cb, reactor);
		nty_event_add(reactor->epfd, EPOLLIN, ev);
		
	} else {

		close(ev->fd);

		nty_event_del(reactor->epfd, ev);
		printf("send[fd=%d] error %s\n", fd, strerror(errno));

	}

	return len;
}
// listenfd监听新连接加入epoll
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 clientfd;

	if ((clientfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &len)) == -1) {
		if (errno != EAGAIN && errno != EINTR) {
			
		}
		printf("accept: %s\n", strerror(errno));
		return -1;
	}

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

	struct ntyevent *event = ntyreactor_idx(reactor, clientfd);
	
	nty_event_set(event, clientfd, recv_cb, reactor);
	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), clientfd);

	return 0;

}
// 初始化socket连接
int init_sock(short port) {

	int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);

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

	bind(fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));

	if (listen(fd, 20) < 0) {   // 20：Linux中全连接队列中连接的数量
		printf("listen failed : %s\n", strerror(errno));
	}
	return fd;
}

// 分配一个块节点和数组，尾插到reactor中
int ntyreactor_alloc(struct ntyreactor *reactor) {

	if (reactor == NULL) return -1;
	if (reactor->evblk == NULL) return -1;
    // 尾插，fd在进程内是顺序的
	struct eventblock *blk = reactor->evblk;
	while (blk->next != NULL) {
		blk = blk->next;
	}
    // 先分配数组，因为内存越大，越容易分配失败
	struct ntyevent *evs = (struct ntyevent*)malloc((MAX_EPOLL_EVENTS) * sizeof(struct ntyevent));
	if (evs == NULL) {
		printf("ntyreactor_alloc ntyevents failed\n");
		return -2;
	}
	memset(evs, 0, (MAX_EPOLL_EVENTS) * sizeof(struct ntyevent));
    // 分配节点
	struct eventblock *block = (struct eventblock *)malloc(sizeof(struct eventblock));
	if (block == NULL) {
		printf("ntyreactor_alloc eventblock failed\n");
		return -2;
	}
	memset(block, 0, sizeof(struct eventblock));
    // 加入reactor
	block->events = evs;
	block->next = NULL;
	blk->next = block;
	reactor->blkcnt ++;
	return 0;
}
// 索引函数，返回fd对应的event 
struct ntyevent *ntyreactor_idx(struct ntyreactor *reactor, int sockfd) {

	int blkidx = sockfd / MAX_EPOLL_EVENTS;
    // 防止索引越界
    // 其实小索引也可能越界：比如我第二个数组中的fd全部处理完了，那就该释放了（这里没释放），再来一个1024就找不到对应的事件了
	while (blkidx >= reactor->blkcnt) {
		ntyreactor_alloc(reactor);
	}

	int i = 0;
	struct eventblock *blk = reactor->evblk;
	while(i ++ < blkidx && blk != NULL) {
		blk = blk->next;
	}

	return &blk->events[sockfd % MAX_EPOLL_EVENTS];
}
// 初始化reactor结构体
int ntyreactor_init(struct ntyreactor *reactor) {

	if (reactor == NULL) return -1;    // reactor内存清零
	memset(reactor, 0, sizeof(struct ntyreactor));

	reactor->epfd = epoll_create(1);  // epoll初始化
	if (reactor->epfd <= 0) {
		printf("create epfd in %s err %s\n", __func__, strerror(errno));
		return -2;
	}
    // 数组初始化
	struct ntyevent *evs = (struct ntyevent*)malloc((MAX_EPOLL_EVENTS) * sizeof(struct ntyevent));
	if (evs == NULL) {
		printf("ntyreactor_alloc ntyevents failed\n");
		return -2;
	}
	memset(evs, 0, (MAX_EPOLL_EVENTS) * sizeof(struct ntyevent));
    // 块节点初始化
	struct eventblock *block = (struct eventblock *)malloc(sizeof(struct eventblock));
	if (block == NULL) {
		printf("ntyreactor_alloc eventblock failed\n");
		return -2;
	}
	memset(block, 0, sizeof(struct eventblock));

	block->events = evs;
	block->next = NULL;

	reactor->evblk = block;
	reactor->blkcnt = 1;

	return 0;
}
// 销毁reactor
int ntyreactor_destory(struct ntyreactor *reactor) {
	
    close(reactor->epfd);   // 关闭epoll

	struct eventblock *blk = reactor->evblk;
	struct eventblock *blk_next = NULL;
    // 链表的释放
	while (blk != NULL) {
		blk_next = blk->next;
		free(blk->events);
		free(blk);
		blk = blk_next;
	}
	return 0;
}
// 将事件加入到reactor和epoll
int ntyreactor_addlistener(struct ntyreactor *reactor, int sockfd, NCALLBACK *acceptor) {

	if (reactor == NULL) return -1;
	if (reactor->evblk == NULL) return -1;

	struct ntyevent *event = ntyreactor_idx(reactor, sockfd);
	nty_event_set(event, sockfd, acceptor, reactor);
	nty_event_add(reactor->epfd, EPOLLIN, event);
	return 0;
}
// 启动reactor，reactor能支持百万连接，是因为epoll本身就能支持百万连接
int ntyreactor_run(struct ntyreactor *reactor) {
	if (reactor == NULL) return -1;
	if (reactor->epfd < 0) return -1;
	if (reactor->evblk == NULL) return -1;
	
    // 就绪列表中事件的data就有这个回调函数啊
    // 而且下面也是直接取的data中的回调，为啥还要reactor?
	struct epoll_event events[MAX_EPOLL_EVENTS+1];   // 就绪队列里的事件不需要取太多，多取几次就好
	
	int checkpos = 0, i;

	while (1) {
		int nready = epoll_wait(reactor->epfd, events, MAX_EPOLL_EVENTS, 1000);
		if (nready < 0) {
			printf("epoll_wait error, exit\n");
			continue;
		}

		for (i = 0;i < nready;i ++) {
            // 不需要判断事件类型，直接调回调就行
			struct ntyevent *ev = (struct ntyevent*)events[i].data.ptr;
            ev->callback(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
		}
	}
}

// 3, 6w, 1, 100 == 
// <remoteip, remoteport, localip, localport>
int main(int argc, char *argv[]) {

	unsigned short port = SERVER_PORT; // listen 8888
	if (argc == 2) {
		port = atoi(argv[1]);
	}
	struct ntyreactor *reactor = (struct ntyreactor*)malloc(sizeof(struct ntyreactor));
	ntyreactor_init(reactor);

	int i = 0;
	int sockfds[PORT_COUNT] = {0};
	for (i = 0;i < PORT_COUNT;i ++) {    // 一个连接是5元组，服务器多开些端口才能达到百万连接
		sockfds[i] = init_sock(port+i);  // 8888到8988都在监听连接，也就是一个进程有100个listenfd
		ntyreactor_addlistener(reactor, sockfds[i], accept_cb);
	}

	ntyreactor_run(reactor);

	ntyreactor_destory(reactor);

	for (i = 0;i < PORT_COUNT;i ++) {
		close(sockfds[i]);
	}

	free(reactor);
	return 0;
}

tips

  1. 边缘触发ET/水平触发FT：
    • 场景：客户向服务器socket读缓冲区一次发送32byte，但服务器一次只读10byte
    • 边缘触发：一次事件只触发一次，也就是32bytes这次只读了10byte(只读一次)，下次客户再发32byet，也只会从上次剩下的22bytes读10byte；
    • 水平触发：一次事件会触发多次，只要fd可读或可写，会不断触发（加入到就绪队列），也就是一次事件会触发4次，32byte读取完。
    • 边缘触发：适用于小数据的处理（尽量一次可读完或写完buff的）
    • 水平触发：适用于大数据库处理（如读缓冲可能会装不下用户数据），listenfd（多次调用accept()把连接取出来，加快程序处理速度，也防止连接太多，连接队列装不下而丢失fd）。
  2. listen(fd,20):
    • 在进行三次握手时，客户端第一次握手，该fd会加入Linux半连接队列，第三次握手时，该fd会加入全连接队列（也就是accept队列）
    • 其中，20是listen允许连接的最大数量，但是在有些操作系统中，如苹果，这个20是半连接+全连接的数量，而Linux中，是全连接的数量
    • DDOS攻击：进行大量的第一次握手，导致浪费了很多fd，而单个进程创建fd是有数量限制的（limit -a查看），当达到最大限制时，就导致Linux无法再接收正常请求了
  3. socket套接字：
    • 一个ip+端口就是一个socket套接字，一个服务端socket+客户端socket就是一个连接
    • 所以一台主机中的一个进程可以初始化很多套接字（监听更多的port就是了），在服务端，listenfd由socketfd转换而来。参考链接
    • linux中一切皆fd，一切fd都有inode

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