C++多進程並發架構FFLIB

文章目錄

• 多線程與並發
• 非同步訊息/介面調用
• 訊息的序列化與Reflection
• 效能最佳化
• 單元測試
• 訊息時序圖
• 如何註冊服務和介面
• 訊息定義的規範
• 關於效能

         三年來一直從事伺服器程式開發，一直都是忙忙碌碌，不久前結束了職業生涯的第一份工作，有了一個禮拜的休息時間，終於可以寫寫總結了。於是把以前的開原始碼做了整理和最佳化，這就是FFLIB。雖然這邊總結看起來像日記，有很多廢話，但是此文仍然是有很大針對性的。針對伺服器開發中常見的問題，如多線程並發、訊息轉寄、非同步、效能最佳化、單元測試，提出自己的見解。

面對的問題

         從事開發工程中，遇到過不少問題，很多時候由於時間緊迫，沒有使用優雅的方案。在跟業內的一些朋友交流過程中，我也意識到有些問題是大家都存在的。簡單列舉如下：

• 多線程與並發
• 非同步訊息/介面調用
• 訊息的序列化與Reflection
• 效能最佳化
• 單元測試

多線程與並發

         現在是多核時代，並發才能實現更高的輸送量、更快的響應，但也是把雙刃劍。總結如下幾個用法：

• 多線程+顯示鎖；介面是被多線程調用的，當被調用時，顯示加鎖，再操作實體資料。悲劇的是，工程師為了最佳化會設計多個鎖，以減少鎖的粒度，甚至有些地方使用了原子操作。這些都為領域邏輯增加了額外的設計負擔。最壞的情況是會出現死結。
• 多線程+任務隊列；介面被多線程調用，但請求會被暫存到任務隊列，而任務隊列會被單線程不斷執行，典型生產者消費者模式。它的並發在於不同的介面可以使用不同的任務隊列。這也是我最常用的並發方式。

　　這是兩種最常見的多線程並發，它們有個天生的缺陷——Scalability。一個機器的效能總是有瓶頸的。兩個情境的邏輯雖然由多個線程實現了並發，但是運算量十分有可能是一台機器無法承載的。如果是多進程並發，那麼可以分布式把其部署到其他機器（也可部署在一台機器）。所以多進程並發比多線程並發更加Scalability。另外採用多進程後，每個進程單線程設計，這樣的程式更加Simplicity。多進程的其他優點如解耦、模組化、方便調試、方便重用等就不贅言了。

非同步訊息/介面調用

         提到分布式，就要說一下分布式的通訊技術。常用的方式如下：

• 類RPC；包括WebService、RPC、ICE等，特點是遠程同步調用。遠端介面和本地的介面非常相似。但是遊戲伺服器程式一般非常在意延遲和輸送量，所以這些阻塞線程的同步遠程調用方式並不常用。但是我們必須意識到他的優點，就是非常利於調用和測試。
• 全非同步訊息；當調用遠程介面的時候，非同步發送請求訊息，介面響應後返回一個結果訊息，調用方的回呼函數處理結果訊息繼續邏輯操作。所以有些邏輯就會被切割成ServiceStart和ServiceCallback兩段。有時非同步會講領域邏輯變得支離破碎。另外訊息處理函數中一般會寫一坨的switch/case 處理不同的訊息。最大的問題在於單元測試，這種情況傳統單元測試根本束手無策。

訊息的序列化與Reflection

         實現訊息的序列化和還原序列化的方式有很多，常見的有Struct、json、Protobuff等都有很成功的應用。我個人傾向於使用輕量級的二進位序列化，優點是比較透明和高效，一切在掌握之中。在FFLIB 中實現了bin_encoder_t 和 bin_decoder_t 輕量級的訊息序列化，幾十行代碼而已。

效能最佳化

         已經寫過關於效能方面的總結，參見

         http://www.cnblogs.com/zhiranok/archive/2012/06/06/cpp_perf.html

　　   有的網友提到profiler、cpuprofiler、callgrind等工具。這些工具我都使用過，說實話，對於我來說，我太認同它有很高的價值。第一他們只能用於開發測試階段，可以初步得到一些效能上參考資料。第二它們如何?跟蹤人們無從得知。運行其會使程式變慢，不能反映真實資料。第三重要的是，開發測試階段效能和上線後的能一樣嗎？Impossible ！

　　   關於效能，原則就是資料說話，詳見博文，不在贅述。

單元測試

         關於單元測試，前邊已經談論了一些。遊戲伺服器程式一般都比較龐大，但是不可思議的是，鄙人從來沒見有項目（c++ 後台架構的）有完整單元測試的。由於存在著非同步和多線程，傳統的單元測試架構無法勝任，而開發支援非同步測試架構又是不現實的。我們必須看到的是，傳統的單元測試架構已經取得了非常大的成功。據我瞭解，使用web 架構的遊戲後台已經對於單元測試的使用已經非常成熟，取得了極其好的效果。所以我的思路是利用現有的單元測試架構，將非同步訊息、多線程的架構做出調整。

         已經多次談論單元測試了。其實在開發FFLIB的思路很大程度來源於此，否則可能只是一個c++ 網路程式庫而已。我決定嘗試去解決這個問題的時候，把FFLIB 定位於架構。

         先來看一段非常簡單的單元測試的代碼 ：

         Assert(2 == Add(1, 1));

         請允許我對這行代碼做些解釋，對Add函數輸入參數，驗證傳回值是否是預期的結果。這不就是單元測試的本質嗎？在想一下我們非同步發送訊息的過程，如果每個輸入訊息約定一個結果訊息包，每次發送請求時都綁定一個回呼函數接收和驗證結果訊息包。這樣的話就恰恰滿足了傳統單元測試的步驟了。最後還需解決一個問題，Assert是不能處理非同步傳回值的。幸運的是，future機制可以化非同步為同步。不瞭解future 模式的可以參考這裡：

         http://blog.chinaunix.net/uid-23093301-id-190969.html

         http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/dd764564.aspx#Y300

 

         來看一下在FFLIB架構下遠程調用echo 服務的樣本：

struct lambda_t{　　static void callback(echo_t::out_t& msg_)　　{　　　　echo_t::in_t in;　　　　in.value = "XXX_echo_test_XXX";　　　　singleton_t<msg_bus_t>::instance()       .get_service_group("echo")       ->get_service(1)->async_call(in, &lambda_t::callback);　　}};echo_t::in_t in;
in.value = "XXX_echo_test_XXX";singleton_t<msg_bus_t>::instance().get_service_group("echo")->get_service(1)->async_call(in, &lambda_t::callback);

 

　　當需要調用遠程介面時，async_call(in, &lambda_t::callback); 非同步呼叫必須綁定一個回呼函數，回呼函數接收結果訊息，可以觸發後續操作。這樣的話，如果對echo 的遠程介面做單元測試，可以這樣做：

rpc_future_t< echo_t::out_t> rpc_future;echo_t::in_t in;in.value = "XXX_echo_test_XXX";const echo_t::out_t& out = rpc_future.call(    singleton_t<msg_bus_t>::instance()        .get_service_group("echo")->get_service(1), in);Assert(in.value == out.value);

這樣所有的遠程介面都可以被單元測試覆蓋。

FFLIB 介紹

 FFLIB 結構圖

         ，Client 不會直接和Service 相串連，而是通過Broker 中介層完成了訊息傳遞。關於Broker 模式可以參見：http://blog.chinaunix.net/uid-23093301-id-90459.html

　　　處理序間通訊採用TPC，而不是多線程使用的共用記憶體方式。Service 一般是單線程架構的，通過啟動多進程實現相對於多線程的並發。由於Broker模式天生石分布式的，所以有很好的Scalability。

訊息時序圖

如何註冊服務和介面

　　來看一下Echo 服務的實現：

struct echo_service_t{public:    void echo(echo_t::in_t& in_msg_, rpc_callcack_t<echo_t::out_t>& cb_)    {        logtrace((FF, "echo_service_t::echo done value<%s>", in_msg_.value.c_str()));        echo_t::out_t out;        out.value = in_msg_.value;        cb_(out);    }}; int main(int argc, char* argv[]){    int g_index = 1;    if (argc > 1)    {        g_index = atoi(argv[1]);    }    char buff[128];    snprintf(buff, sizeof(buff), "tcp://%s:%s", "127.0.0.1", "10241");        msg_bus_t msg_bus;    assert(0 == singleton_t<msg_bus_t>::instance().open("tcp://127.0.0.1:10241") && "can't connnect to broker");     echo_service_t f;     singleton_t<msg_bus_t>::instance().create_service_group("echo");    singleton_t<msg_bus_t>::instance().create_service("echo", g_index)            .bind_service(&f)            .reg(&echo_service_t::echo);        signal_helper_t::wait();     singleton_t<msg_bus_t>::instance().close();    //usleep(1000);    cout <<"\noh end\n";    return 0;}

 

• create_service_group 建立一個服務group，一個服務組可能有多個並行的執行個體
• create_service 以特定的id 建立一個服務執行個體
• reg 為該服務註冊介面
• 介面的定義規範為void echo(echo_t::in_t& in_msg_, rpc_callcack_t<echo_t::out_t>& cb_)，第一個參數為輸入的訊息struct，第二個參數為回呼函數的模板特例，模板參數為返回訊息的struct 類型。介面無需知道發送訊息等細節，只需將結果callback 即可。
• 註冊到Broker 後，所有Client都可擷取該服務

訊息定義的規範

    我們約定每個介面（遠程或本地都應滿足）都包含一個輸入訊息和一個結果訊息。來看一下echo 服務的訊息定義：

struct echo_t{    struct in_t: public msg_i    {        in_t():            msg_i("echo_t::in_t")        {}        virtual string encode()        {            return (init_encoder() << value).get_buff();        }        virtual void decode(const string& src_buff_)        {            init_decoder(src_buff_) >> value;        }                string value;    };    struct out_t: public msg_i    {        out_t():            msg_i("echo_t::out_t")        {}        virtual string encode()        {            return (init_encoder() << value).get_buff();        }        virtual void decode(const string& src_buff_)        {            init_decoder(src_buff_) >> value;        }                string value;    };};

•  每個介面必須包含in_t訊息和out_t訊息，並且他們定義在介面名（如echo _t）的內部
• 所有訊息都繼承於msg_i, 其封裝了二進位的序列化、還原序列化等。構造時賦予類型名作為訊息的名稱。
• 每個訊息必須實現encode 和 decode 函數

　　這裡需要指出的是，FFLIB 中不需要為每個訊息定義對應的CMD。當介面如echo向Broker 註冊時，reg介面通過C++ 範本的類型推斷會自動將該msg name 註冊給Broker， Broker為每個msg name 分配唯一的msg_id。Msg_bus 中自動維護了msg_name 和msg_id 的映射。Msg_i 的定義如下：

struct msg_i : public codec_i{    msg_i(const char* msg_name_):        cmd(0),        uuid(0),        service_group_id(0),        service_id(0),        msg_id(0),        msg_name(msg_name_)    {}        void set(uint16_t group_id, uint16_t id_, uint32_t uuid_, uint16_t msg_id_)    {        service_group_id = group_id;        service_id       = id_;        uuid             = uuid_;        msg_id           = msg_id_;    }     uint16_t cmd;    uint16_t get_group_id()   const{ return service_group_id; }    uint16_t get_service_id() const{ return service_id;       }    uint32_t get_uuid()       const{ return uuid;             }        uint16_t get_msg_id()     const{ return msg_id;           }    const string& get_name()  const    {        if (msg_name.empty() == false)        {            return msg_name;        }        return singleton_t<msg_name_store_t>::instance().id_to_name(this->get_msg_id());    }        void     set_uuid(uint32_t id_)   { uuid = id_;  }    void     set_msg_id(uint16_t id_) { msg_id = id_;}    void     set_sgid(uint16_t sgid_) { service_group_id = sgid_;}    void     set_sid(uint16_t sid_)   { service_id = sid_; }    uint32_t uuid;    uint16_t service_group_id;    uint16_t service_id;    uint16_t msg_id;    string   msg_name;     virtual string encode(uint16_t cmd_)    {        this->cmd = cmd_;        return encode();    }    virtual string encode() = 0;    bin_encoder_t& init_encoder()    {        return encoder.init(cmd)  << uuid << service_group_id << service_id<< msg_id;    }    bin_encoder_t& init_encoder(uint16_t cmd_)    {        return encoder.init(cmd_) << uuid << service_group_id << service_id << msg_id;    }    bin_decoder_t& init_decoder(const string& buff_)    {        return decoder.init(buff_) >> uuid >> service_group_id >> service_id >> msg_id;    }    bin_decoder_t decoder;    bin_encoder_t encoder;};

 

關於效能

         由於遠程介面的調用必須通過Broker， Broker會為每個介面自動產生效能統計資料，並每10分鐘輸出到perf.txt 檔案中。檔案格式為CSV，參見:

http://www.cnblogs.com/zhiranok/archive/2012/06/06/cpp_perf.html

總結

FFLIB架構擁有如下的特點：

• 使用多進程並發。Broker 把Client 和Service 的位置透明化
• Service 的介面要註冊到Broker， 所有串連Broker的Client 都可以調用（publisher/ subscriber）
• 遠程調用必須綁定回呼函數
• 利用future 模式實現同步，從而支援單元測試
• 訊息定義規範簡單直接高效
• 所有service的介面效能監控資料自動產生，免費的午餐
• Service 單線程話，更simplicity

原始碼：

Svn co http://ffown.googlecode.com/svn/trunk/

運行樣本：

• Cd example/broker && make && ./app_broker –l http://127.0.0.1:10241
• Cd example/echo_server && make && ./app_echo_server
• Cd example/echo_client && make && ./app_echo_client