muduo源码剖析--Buffer

Buffer类

Buffer类是自定义处理数据输入缓冲的类，底层是vector< char >，通过readIdx和writeIdx将缓冲区分为3个部分，第一部分是预留的8字节+已经读出的缓冲区字节数、第二部分是还未读出的部分、第三部分是可写的部分。
在这里插入图片描述
Buffer类的设计是TcpConnection类设计的核心，一个TcpConnection必须有一个inputBuffer和一个outputBuffer。
必须存在inputBuffer的原因：Tcp是一个无边界的字节流协议，接收方必须要处理"收到的数据尚不构成一条完整的消息”和“一次收到两条消息的数据”等情况，例如对应数据不完整的情况，则收到的数据先放到inputBuffer里，等构成一条完整的消息再通知程序的业务逻辑。
必须存在outputBuffer的原因：考虑这样一种场景，程序想通过Tcp连接发送100kb的数据，但是在write调用中只接受了80kb数据，那么还剩余的20kb数据应该存入outputBuffer中，并注册POLLOUT事件，如果写完了20kb的数据，应该立即停止关注POLLOUT事件，防止busy loop。因为对于应用程序而言，它只管生成数据，不关心数据是一次发送还是几次发送。

// 网络库底层的缓冲区类型定义
class Buffer
{
public:
    static const size_t kCheapPrepend = 8;
    static const size_t kInitialSize = 1024;

    explicit Buffer(size_t initalSize = kInitialSize)
        : buffer_(kCheapPrepend + initalSize)
        , readerIndex_(kCheapPrepend)
        , writerIndex_(kCheapPrepend)
    {
    }

    size_t readableBytes() const { return writerIndex_ - readerIndex_; }
    size_t writableBytes() const { return buffer_.size() - writerIndex_; }
    size_t prependableBytes() const { return readerIndex_; }

    // 返回缓冲区中可读数据的起始地址
    const char *peek() const { return begin() + readerIndex_; }


    char *beginWrite() { return begin() + writerIndex_; }
    const char *beginWrite() const { return begin() + writerIndex_; }

    // 从fd上读取数据
    ssize_t readFd(int fd, int *saveErrno);
    // 通过fd发送数据
    ssize_t writeFd(int fd, int *saveErrno);

private:
    // vector底层数组首元素的地址 也就是数组的起始地址
    char *begin() { return &*buffer_.begin(); }
    const char *begin() const { return &*buffer_.begin(); }

    std::vector<char> buffer_;
    size_t readerIndex_;  //可读的起始位置
    size_t writerIndex_;  //可写的起始位置
};

读buffer的数据并输出为string，主要通过retrieveAllAsString()和retrieveAsString()方法，前者读出buffer所有的数据，后者读出buffer长度为len字节的数据，读出后对readIdx进行相应的维护

    void retrieve(size_t len)
    {
        if (len < readableBytes())
        {
            readerIndex_ += len; // 说明应用只读取了可读缓冲区数据的一部分，就是len长度 还剩下readerIndex+=len到writerIndex_的数据未读
        }
        else // len == readableBytes()
        {
            retrieveAll();
        }
    }
    void retrieveAll()
    {
        readerIndex_ = kCheapPrepend;
        writerIndex_ = kCheapPrepend;
    }

    // 把onMessage函数上报的Buffer数据 转成string类型的数据返回
    std::string retrieveAllAsString() { return retrieveAsString(readableBytes()); }
    std::string retrieveAsString(size_t len)
    {
        std::string result(peek(), len);
        retrieve(len); // 上面一句把缓冲区中可读的数据已经读取出来 这里肯定要对缓冲区进行复位操作
        return result;
    }

buffer每次append数据的时候，都会保证所有数据都能写入缓冲区，核心是扩容操作，扩容是先检查写入数据是否可以大于已读出的数据的部分+预留部分+可写部分，如果大于则需要进行扩容操作，否则先将未读的数据移动到readIdx起始的位置（readidx=kCheapPrepend, writeIdx =readidx+readableBytes()，然后将需要写入数据append到wireIdx后面


    // 把[data, data+len]内存上的数据添加到writable缓冲区当中
    void append(const char *data, size_t len)
    {
        ensureWritableBytes(len);
        std::copy(data, data+len, beginWrite());
        writerIndex_ += len;
    }

    // buffer_.size - writerIndex_
    void ensureWritableBytes(size_t len)
    {
        if (writableBytes() < len)
        {
            makeSpace(len); // 扩容
        }
    }

    void makeSpace(size_t len)  //扩容操作
    {
        /**
         * | kCheapPrepend |xxx| reader | writer |                     // xxx标示reader中已读的部分
         * | kCheapPrepend | reader ｜          len          |
         **/
        if (writableBytes() + prependableBytes() < len + kCheapPrepend) // 也就是说 len > xxx + writer的部分
        {
            buffer_.resize(writerIndex_ + len);
        }
        else // 这里说明 len <= xxx + writer 把reader搬到从xxx开始 使得xxx后面是一段连续空间
        {
            size_t readable = readableBytes(); // readable = reader的长度
            std::copy(begin() + readerIndex_,
                      begin() + writerIndex_,  // 把这一部分数据拷贝到begin+kCheapPrepend起始处
                      begin() + kCheapPrepend);
            readerIndex_ = kCheapPrepend;
            writerIndex_ = readerIndex_ + readable;
        }
    }

通过fd读数据到buffer以及通过buffer写入数据到fd，从fd读数据稍显复杂，利用了两个缓冲，，第一个缓冲是buffer自己可写部分的缓冲区，第二个缓冲是在栈空间开辟，从fd读的数据首先写入第一个缓冲区(buffer自带)，如果数据大于这个缓冲区的大小，则将剩余未写完的数据放入第二个缓冲区，然后将这个缓冲区的数据调用append()方法添加到buffer的后面(可能发生扩容操作)
关于为什么采取双缓冲(buffer缓冲+栈空间缓冲)的方法而不采取一个缓冲区(buffer缓冲)：当调用read函数读取数据的时候，从从内核的缓冲区读入到用户态的缓冲，而采取一个缓冲的情况下如果读数据读到一半发现缓冲满了，随后进行扩容操作，但这个时间段内核态的数据可能还会源源不断的输入数据，而这边没办法读入数据（扩容之中)，这使得操作系统没法腾出空间容纳更多的数据，这样就得不偿失了。采取双缓冲的好处是，从将所有数据一次性从内核态读入到用户态（快速读完)，这样操作系统也有可以容纳的空间给新到来的数据，从而提高效率也间接的增大了系统的并发量。

/**
 * 从fd上读取数据 Poller工作在LT模式
 * Buffer缓冲区是有大小的！ 但是从fd上读取数据的时候 却不知道tcp数据的最终大小
 *
 * @description: 从socket读到缓冲区的方法是使用readv先读至buffer_，
 * Buffer_空间如果不够会读入到栈上65536个字节大小的空间，然后以append的
 * 方式追加入buffer_。既考虑了避免系统调用带来开销，又不影响数据的接收。
 **/
ssize_t Buffer::readFd(int fd, int *saveErrno)
{
    // 栈额外空间，用于从套接字往出读时，当buffer_暂时不够用时暂存数据，待buffer_重新分配足够空间后，在把数据交换给buffer_。
    char extrabuf[65536] = {0}; // 栈上内存空间 65536/1024 = 64KB

    /*
    struct iovec {
        ptr_t iov_base; // iov_base指向的缓冲区存放的是readv所接收的数据或是writev将要发送的数据
        size_t iov_len; // iov_len在各种情况下分别确定了接收的最大长度以及实际写入的长度
    };
    */

    // 使用iovec分配两个连续的缓冲区
    struct iovec vec[2];
    const size_t writable = writableBytes(); // 这是Buffer底层缓冲区剩余的可写空间大小 不一定能完全存储从fd读出的数据

    // 第一块缓冲区，指向可写空间
    vec[0].iov_base = begin() + writerIndex_;
    vec[0].iov_len = writable;
    // 第二块缓冲区，指向栈空间
    vec[1].iov_base = extrabuf;
    vec[1].iov_len = sizeof(extrabuf);

    // when there is enough space in this buffer, don't read into extrabuf.
    // when extrabuf is used, we read 128k-1 bytes at most.
    // 这里之所以说最多128k-1字节，是因为若writable为64k-1，那么需要两个缓冲区 第一个64k-1 第二个64k 所以做多128k-1
    // 如果第一个缓冲区>=64k 那就只采用一个缓冲区 而不使用栈空间extrabuf[65536]的内容
    const int iovcnt = (writable < sizeof(extrabuf)) ? 2 : 1;
    const ssize_t n = ::readv(fd, vec, iovcnt);

    if (n < 0)
    {
        *saveErrno = errno;
    }
    else if (n <= writable) // Buffer的可写缓冲区已经够存储读出来的数据了
    {
        writerIndex_ += n;
    }
    else // extrabuf里面也写入了n-writable长度的数据
    {
        writerIndex_ = buffer_.size();
        append(extrabuf, n - writable); // 对buffer_扩容 并将extrabuf存储的另一部分数据追加至buffer_
    }
    return n;
}

// inputBuffer_.readFd表示将对端数据读到inputBuffer_中，移动writerIndex_指针
// outputBuffer_.writeFd标示将数据写入到outputBuffer_中，从readerIndex_开始，可以写readableBytes()个字节
ssize_t Buffer::writeFd(int fd, int *saveErrno)
{
    ssize_t n = ::write(fd, peek(), readableBytes());
    if (n < 0)
    {
        *saveErrno = errno;
    }
    return n;
}