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事件驅動為廣大的程序員所熟悉，其最為人津津樂道的是在圖形化界面編程中的應用；事實上，在網(wǎng)絡編程中事件驅動也被廣泛使用，并大規(guī)模部署在高連接數(shù)高吞吐量的服務器程序中，如 http 服務器程序、ftp 服務器程序等。相比于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡編程方式，事件驅動能夠極大的降低資源占用，增大服務接待能力，并提高網(wǎng)絡傳輸效率。
關于本文提及的服務器模型，搜索網(wǎng)絡可以查閱到很多的實現(xiàn)代碼，所以，本文將不拘泥于源代碼的陳列與分析，而側重模型的介紹和比較。使用 libev 事件驅動庫的服務器模型將給出實現(xiàn)代碼。
本文涉及到線程 / 時間圖例，只為表明線程在各個 IO 上確實存在阻塞時延，但并不保證時延比例的正確性和 IO 執(zhí)行先后的正確性；另外，本文所提及到的接口也只是筆者熟悉的 Unix/Linux 接口，并未推薦 Windows 接口，讀者可以自行查閱對應的 Windows 接口。
阻塞型的網(wǎng)絡編程接口
幾乎所有的程序員***次接觸到的網(wǎng)絡編程都是從 listen()、send()、recv()等接口開始的。使用這些接口可以很方便的構建服務器 /客戶機的模型。
我們假設希望建立一個簡單的服務器程序，實現(xiàn)向單個客戶機提供類似于“一問一答”的內(nèi)容服務。
圖 1. 簡單的一問一答的服務器 /客戶機模型
我們注意到，大部分的 socket接口都是阻塞型的。所謂阻塞型接口是指系統(tǒng)調(diào)用（一般是 IO接口）不返回調(diào)用結果并讓當前線程一直阻塞，只有當該系統(tǒng)調(diào)用獲得結果或者超時出錯時才返回。
實際上，除非特別指定，幾乎所有的 IO接口 (包括 socket 接口 )都是阻塞型的。這給網(wǎng)絡編程帶來了一個很大的問題，如在調(diào)用 send()的同時，線程將被阻塞，在此期間，線程將無法執(zhí)行任何運算或響應任何的網(wǎng)絡請求。這給多客戶機、多業(yè)務邏輯的網(wǎng)絡編程帶來了挑戰(zhàn)。這時，很多程序員可能會選擇多線程的方式來解決這個問題。
多線程服務器程序
應對多客戶機的網(wǎng)絡應用，最簡單的解決方式是在服務器端使用多線程（或多進程）。多線程（或多進程）的目的是讓每個連接都擁有獨立的線程（或進程），這樣任何一個連接的阻塞都不會影響其他的連接。
具體使用多進程還是多線程，并沒有一個特定的模式。傳統(tǒng)意義上，進程的開銷要遠遠大于線程，所以，如果需要同時為較多的客戶機提供服務，則不推薦使用多進程；如果單個服務執(zhí)行體需要消耗較多的 CPU 資源，譬如需要進行大規(guī)?；蜷L時間的數(shù)據(jù)運算或文件訪問，則進程較為安全。通常，使用 pthread_create () 創(chuàng)建新線程，fork() 創(chuàng)建新進程。
我們假設對上述的服務器 / 客戶機模型，提出更高的要求，即讓服務器同時為多個客戶機提供一問一答的服務。于是有了如下的模型。
圖 2. 多線程服務器模型
在上述的線程 / 時間圖例中，主線程持續(xù)等待客戶端的連接請求，如果有連接，則創(chuàng)建新線程，并在新線程中提供為前例同樣的問答服務。
很多初學者可能不明白為何一個 socket 可以 accept 多次。實際上，socket 的設計者可能特意為多客戶機的情況留下了伏筆，讓 accept() 能夠返回一個新的 socket。下面是 accept 接口的原型：
- int accept(int s, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
輸入?yún)?shù) s 是從 socket()，bind() 和 listen() 中沿用下來的 socket 句柄值。執(zhí)行完 bind() 和 listen() 后，操作系統(tǒng)已經(jīng)開始在指定的端口處監(jiān)聽所有的連接請求，如果有請求，則將該連接請求加入請求隊列。調(diào)用 accept() 接口正是從 socket s 的請求隊列抽取***個連接信息，創(chuàng)建一個與 s 同類的新的 socket 返回句柄。新的 socket 句柄即是后續(xù) read() 和 recv() 的輸入?yún)?shù)。如果請求隊列當前沒有請求，則 accept() 將進入阻塞狀態(tài)直到有請求進入隊列。
上述多線程的服務器模型似乎***的解決了為多個客戶機提供問答服務的要求，但其實并不盡然。如果要同時響應成百上千路的連接請求，則無論多線程還是多進程都會嚴重占據(jù)系統(tǒng)資源，降低系統(tǒng)對外界響應效率，而線程與進程本身也更容易進入假死狀態(tài)。
很多程序員可能會考慮使用“線程池”或“連接池”?！熬€程池”旨在減少創(chuàng)建和銷毀線程的頻率，其維持一定合理數(shù)量的線程，并讓空閑的線程重新承擔新的執(zhí)行任務?！斑B接池”維持連接的緩存池，盡量重用已有的連接、減少創(chuàng)建和關閉連接的頻率。這兩種技術都可以很好的降低系統(tǒng)開銷，都被廣泛應用很多大型系統(tǒng)，如 websphere、tomcat 和各種數(shù)據(jù)庫等。
但是，“線程池”和“連接池”技術也只是在一定程度上緩解了頻繁調(diào)用 IO 接口帶來的資源占用。而且，所謂“池”始終有其上限，當請求大大超過上限時，“池”構成的系統(tǒng)對外界的響應并不比沒有池的時候效果好多少。所以使用“池” 必須考慮其面臨的響應規(guī)模，并根據(jù)響應規(guī)模調(diào)整“池”的大小。
對應上例中的所面臨的可能同時出現(xiàn)的上千甚至上萬次的客戶端請求，“線程池”或“連接池”或許可以緩解部分壓力，但是不能解決所有問題。
總之，多線程模型可以方便高效的解決小規(guī)模的服務請求，但面對大規(guī)模的服務請求，多線程模型并不是***方案。下一章我們將討論用非阻塞接口來嘗試解決這個問題。
使用select()接口的基于事件驅動的服務器模型
大部分 Unix/Linux 都支持 select 函數(shù)，該函數(shù)用于探測多個文件句柄的狀態(tài)變化。下面給出 select 接口的原型：
- FD_ZERO(int fd, fd_set* fds)
- FD_SET(int fd, fd_set* fds)
- FD_ISSET(int fd, fd_set* fds)
- FD_CLR(int fd, fd_set* fds)
- int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds,
- struct timeval *timeout)
這里，fd_set 類型可以簡單的理解為按 bit 位標記句柄的隊列，例如要在某 fd_set 中標記一個值為 16 的句柄，則該 fd_set 的第 16 個 bit 位被標記為 1。具體的置位、驗證可使用 FD_SET、FD_ISSET 等宏實現(xiàn)。在 select() 函數(shù)中，readfds、writefds 和 exceptfds 同時作為輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)。如果輸入的 readfds 標記了 16 號句柄，則 select() 將檢測 16 號句柄是否可讀。在 select() 返回后，可以通過檢查 readfds 有否標記 16 號句柄，來判斷該“可讀”事件是否發(fā)生。另外，用戶可以設置 timeout 時間。
下面將重新模擬上例中從多個客戶端接收數(shù)據(jù)的模型。
圖4.使用select()的接收數(shù)據(jù)模型
上述模型只是描述了使用 select() 接口同時從多個客戶端接收數(shù)據(jù)的過程；由于 select() 接口可以同時對多個句柄進行讀狀態(tài)、寫狀態(tài)和錯誤狀態(tài)的探測，所以可以很容易構建為多個客戶端提供獨立問答服務的服務器系統(tǒng)。
圖5.使用select()接口的基于事件驅動的服務器模型
這里需要指出的是，客戶端的一個 connect() 操作，將在服務器端激發(fā)一個“可讀事件”，所以 select() 也能探測來自客戶端的 connect() 行為。
上述模型中，最關鍵的地方是如何動態(tài)維護 select() 的三個參數(shù) readfds、writefds 和 exceptfds。作為輸入?yún)?shù)，readfds 應該標記所有的需要探測的“可讀事件”的句柄，其中永遠包括那個探測 connect() 的那個“母”句柄；同時，writefds 和 exceptfds 應該標記所有需要探測的“可寫事件”和“錯誤事件”的句柄 ( 使用 FD_SET() 標記 )。
作為輸出參數(shù)，readfds、writefds 和 exceptfds 中的保存了 select() 捕捉到的所有事件的句柄值。程序員需要檢查的所有的標記位 ( 使用 FD_ISSET() 檢查 )，以確定到底哪些句柄發(fā)生了事件。
上述模型主要模擬的是“一問一答”的服務流程，所以，如果 select() 發(fā)現(xiàn)某句柄捕捉到了“可讀事件”，服務器程序應及時做 recv() 操作，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)準備好待發(fā)送數(shù)據(jù)，并將對應的句柄值加入 writefds，準備下一次的“可寫事件”的 select() 探測。同樣，如果 select() 發(fā)現(xiàn)某句柄捕捉到“可寫事件”，則程序應及時做 send() 操作，并準備好下一次的“可讀事件”探測準備。下圖描述的是上述模型中的一個執(zhí)行周期。
圖6. 一個執(zhí)行周期
這種模型的特征在于每一個執(zhí)行周期都會探測一次或一組事件，一個特定的事件會觸發(fā)某個特定的響應。我們可以將這種模型歸類為“事件驅動模型”。
相比其他模型，使用 select() 的事件驅動模型只用單線程（進程）執(zhí)行，占用資源少，不消耗太多 CPU，同時能夠為多客戶端提供服務。如果試圖建立一個簡單的事件驅動的服務器程序，這個模型有一定的參考價值。
但這個模型依舊有著很多問題。
首先，select() 接口并不是實現(xiàn)“事件驅動”的***選擇。因為當需要探測的句柄值較大時，select() 接口本身需要消耗大量時間去輪詢各個句柄。很多操作系統(tǒng)提供了更為高效的接口，如 linux 提供了 epoll，BSD 提供了 kqueue，Solaris 提供了 /dev/poll …。如果需要實現(xiàn)更高效的服務器程序，類似 epoll 這樣的接口更被推薦。遺憾的是不同的操作系統(tǒng)***的 epoll 接口有很大差異，所以使用類似于 epoll 的接口實現(xiàn)具有較好跨平臺能力的服務器會比較困難。
其次，該模型將事件探測和事件響應夾雜在一起，一旦事件響應的執(zhí)行體龐大，則對整個模型是災難性的。如下例，龐大的執(zhí)行體 1 的將直接導致響應事件 2 的執(zhí)行體遲遲得不到執(zhí)行，并在很大程度上降低了事件探測的及時性。
圖7. 龐大的執(zhí)行體對使用select()的事件驅動模型的影響
幸運的是，有很多高效的事件驅動庫可以屏蔽上述的困難，常見的事件驅動庫有 libevent 庫，還有作為 libevent 替代者的 libev 庫。這些庫會根據(jù)操作系統(tǒng)的特點選擇最合適的事件探測接口，并且加入了信號 (signal) 等技術以支持異步響應，這使得這些庫成為構建事件驅動模型的不二選擇。下章將介紹如何使用 libev 庫替換 select 或 epoll 接口，實現(xiàn)高效穩(wěn)定的服務器模型。
使用事件驅動庫libev的服務器模型
Libev 是一種高性能事件循環(huán) / 事件驅動庫。作為 libevent 的替代作品，其***個版本發(fā)布與 2007 年 11 月。Libev 的設計者聲稱 libev 擁有更快的速度，更小的體積，更多功能等優(yōu)勢，這些優(yōu)勢在很多測評中得到了證明。正因為其良好的性能，很多系統(tǒng)開始使用 libev 庫。本章將介紹如何使用 Libev 實現(xiàn)提供問答服務的服務器。
（事實上，現(xiàn)存的事件循環(huán) / 事件驅動庫有很多，作者也無意推薦讀者一定使用 libev 庫，而只是為了說明事件驅動模型給網(wǎng)絡服務器編程帶來的便利和好處。大部分的事件驅動庫都有著與 libev 庫相類似的接口，只要明白大致的原理，即可靈活挑選合適的庫。）
與前章的模型類似，libev 同樣需要循環(huán)探測事件是否產(chǎn)生。Libev 的循環(huán)體用 ev_loop 結構來表達，并用 ev_loop( ) 來啟動。
- void ev_loop( ev_loop* loop, int flags )
Libev 支持八種事件類型，其中包括 IO 事件。一個 IO 事件用 ev_io 來表征，并用 ev_io_init() 函數(shù)來初始化：
- void ev_io_init(ev_io *io, callback, int fd, int events)
初始化內(nèi)容包括回調(diào)函數(shù) callback，被探測的句柄 fd 和需要探測的事件，EV_READ 表“可讀事件”，EV_WRITE 表“可寫事件”。
現(xiàn)在，用戶需要做的僅僅是在合適的時候，將某些 ev_io 從 ev_loop 加入或剔除。一旦加入，下個循環(huán)即會檢查 ev_io 所指定的事件有否發(fā)生；如果該事件被探測到，則 ev_loop 會自動執(zhí)行 ev_io 的回調(diào)函數(shù) callback()；如果 ev_io 被注銷，則不再檢測對應事件。
無論某 ev_loop 啟動與否，都可以對其添加或刪除一個或多個 ev_io，添加刪除的接口是 ev_io_start() 和 ev_io_stop()。
- void ev_io_start( ev_loop *loop, ev_io* io )
- void ev_io_stop( EV_A_* )
由此，我們可以容易得出如下的“一問一答”的服務器模型。由于沒有考慮服務器端主動終止連接機制，所以各個連接可以維持任意時間，客戶端可以自由選擇退出時機。
圖8. 使用libev庫的服務器模型
上述模型可以接受任意多個連接，且為各個連接提供完全獨立的問答服務。借助 libev 提供的事件循環(huán) / 事件驅動接口，上述模型有機會具備其他模型不能提供的高效率、低資源占用、穩(wěn)定性好和編寫簡單等特點。
由于傳統(tǒng)的 web 服務器，ftp 服務器及其他網(wǎng)絡應用程序都具有“一問一答”的通訊邏輯，所以上述使用 libev 庫的“一問一答”模型對構建類似的服務器程序具有參考價值；另外，對于需要實現(xiàn)遠程監(jiān)視或遠程遙控的應用程序，上述模型同樣提供了一個可行的實現(xiàn)方案。
總結
本文圍繞如何構建一個提供“一問一答”的服務器程序，先后討論了用阻塞型的 socket 接口實現(xiàn)的模型，使用多線程的模型，使用 select() 接口的基于事件驅動的服務器模型，直到使用 libev 事件驅動庫的服務器模型。文章對各種模型的優(yōu)缺點都做了比較，從比較中得出結論，即使用“事件驅動模型”可以的實現(xiàn)更為高效穩(wěn)定的服務器程序。文中描述的多種模型可以為讀者的網(wǎng)絡編程提供參考價值。
文章題目：幾種經(jīng)典的網(wǎng)絡服務器架構模型的分析與比較
URL標題：http://m.5511xx.com/article/codoeig.html
