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Muduo 網絡編程示例（七）“串並轉換”連接服務器及其自動化測試

編輯：關於C++

本文介紹如何使用 test harness 來測試一個具有內部邏輯的網絡服務程序。

本文的代碼見 http://code.google.com/p/muduo/source/browse/trunk/examples/multiplexer

下載地址： http://muduo.googlecode.com/files/muduo-0.2.0-alpha.tar.gz SHA1 checksum: 75a09a82f96b583004876e95105c679e64c95715

雲風在他的博客中提到了網游連接服務器的功能需求（搜“練手項目”），我用 C++ 初步實現了這些需求，並為之編寫了配套的自動化 test harness ，作為 muduo 網絡庫的示例。

注意：本文呈現的代碼僅僅實現了基本的功能需求，沒有考慮安全性，也沒有特別優化性能，不適合用作真正的放在公網上運行的網游連接服務器。

功能需求

這個連接服務器把多個客戶連接匯聚為一個內部 TCP 連接，起到“數據串並轉換”的作用，讓 backend 的邏輯服務器專心處理業務，而無需顧及多連接的並發性。以下是系統的框圖：

這個連接服務器的作用與數字電路中的數據選擇器 (multiplexer) 類似，所以我把它命名為 multiplexer。（其實 IO-Multiplexing 也是取的這個意思，讓一個 thread-of-control 能有選擇地處理多個 IO 文件描述符。）

(上圖取自 wikipedia，是 public domain 版權)

實現

Multiplexer 的功能需求不復雜，無非是在 backend connection 和 client connections 之間倒騰數據。具體來說，主要是處理四種事件：

對每個新 client connection 分配一個新的整數 id，如果 id 用完了，則斷開新連接（這樣通過控制 id 的數目就能控制最大連接數）。另外，為了避免 id 過快地被復用（有可能造成 backend 串話），multiplexer 采用 queue 來管理 free id，每次從隊列的頭部取 id，用完之後放回 queue 的尾部。

當 client connection 到達或斷開時，向 backend 發出通知。onClientConnection() http://code.google.com/p/muduo/source/browse/tags/0.2.0/examples/multiplexer/multiplexer_s imple.cc#54

當從 client connection 收到數據時，把數據連同 connection id 一同發給 backend。 onClientMessage() http://code.google.com/p/muduo/source/browse/tags/0.2.0/examples/multiplexer/multiplexer_s imple.cc#117

當從 backend connection 收到數據時，辨別數據是發給哪個 client connection，並執行相應的轉發操作。onBackendMessage() http://code.google.com/p/muduo/source/browse/tags/0.2.0/examples/multiplexer/multiplexer_s imple.cc#194

如果 backend connection 斷開連接，則斷開所有 client connections（假設 client 會自動重試）。 onBackendConnection() http://code.google.com/p/muduo/source/browse/tags/0.2.0/examples/multiplexer/multiplexer_s imple.cc#162

由上可見，multiplexer 的功能與 proxy 頗為類似。multiplexer_simple.cc 是一個線程版的實現，借助 muduo 的 io-multiplexing 特性，可以方便地處理多個並發連接。

在實現的時候有兩點值得注意：

TcpConnection 的 id 如何存放？當從 backend 收到數據，如何根據 id 找到對應的 client connection？當從 client connection 收到數據，如何得知其 id ？

第一個問題比較好解決，用 std::map〈int, TcpConnectionPtr〉 clientConns_; 保存從 id 到 client connection 的映射就行。

第二個問題固然可以用類似的辦法解決，但是我想借此介紹一下 muduo::net::TcpConnection 的 context 功能。每個 TcpConnection 都有一個 boost::any 成員，可由客戶代碼自由支配(get/set)，代碼如下。這個 boost::any 是 TcpConnection 的 context，可以用於保存與 connection 綁定的任意數據（比方說 connection id、connection 的最後數據到達時間、connection 所代表的用戶的名字等等）。這樣客戶代碼不必繼承 TcpConnection 就能 attach 自己的狀態，而且也用不著 TcpConnectionFactory 了（如果允許繼承，那麼必然要向 TcpServer 注入此 factory）。

class TcpConnection : public boost::enable_shared_from_this,
                      boost::noncopyable
{
 public:
 
  void setContext(const boost::any& context)
  { context_ = context; }
 
  boost::any& getContext()
  { return context_; }
 
  const boost::any& getContext() const
  { return context_; }
 
  // ...
 
 private:
  // ...
  boost::any context_;
};
 
typedef boost::shared_ptr TcpConnectionPtr;

對於 Multiplexer，在 onClientConnection() 裡調用 conn->setContext(id)，把 id 存到 TcpConnection 對象中。 onClientMessage() 從 TcpConnection 對象中取得 id，連同數據一起發送給 backend，完整實現如下：

  void onClientMessage(const TcpConnectionPtr& conn, Buffer* buf, 

Timestamp)
  {
    if (!conn->getContext().empty())
    {
      int id = boost::any_cast(conn->getContext());
      sendBackendBuffer(id, buf);
    }
    else
    {
      buf->retrieveAll();
    }
  }

TcpConnection 的生命期如何管理？由於 Client Connection 是動態創建並銷毀，其生與滅完全由客戶決定，如何保證 backend 想向它發送數據的時候，這個 TcpConnection 對象還活著？解決思路是用 reference counting，當然，不用自己寫，用 boost::shared_ptr 即可。TcpConnection 是 muduo 中唯一默認采用 shared_ptr 來管理生命期的對象，蓋由其動態生命期的本質決定。更多內容請參考陳碩《當析構函數遇到多線程──C++ 中線程安全的對象回調》

multiplexer 是二進制協議，如何測試呢？

自動化測試

Multiplexer 是 muduo 網絡編程示例中第一個具有 non-trivial 業務邏輯的網絡程序，根據陳碩《分布式程序的自動化回歸測試》一文的思想，我為它編寫了 test harness。代碼見 http://code.google.com/p/muduo/source/browse/trunk/examples/multiplexer/harness/src/com/ch enshuo/muduo/example/multiplexer

這個 Test harness 采用 Java 編寫，用的是 Netty 庫。這個 test harness 要扮演 clients 和 backend，也就是既要主動發起連接，也要被動接受連接。結構如下：

Test harness 會把各種 event 匯聚到一個 blocking queue 裡邊，方便編寫 test case。Test case 則操縱 test harness，發起連接、發送數據、檢查收到的數據，例如以下是其中一個 test case

http://code.google.com/p/muduo/source/browse/trunk/examples/multiplexer/harness /src/com/chenshuo/muduo/example/multiplexer/testcase/TestOneClientSend.java

這裡的幾個 test cases 都以用 java 直接寫的，如果有必要，也可以采用 Groovy 來編寫，這樣可以在不重啟 test harness 的情況下隨時修改添加 test cases。具體做法見陳碩《“過家家”版的移動離線計費系統實現》。

將來的改進

有了這個自動化的 test harness，我們可以比較方便且安全地修改（甚至重新設計）multiplexer。例如

增加“backend 發送指令斷開 client connection”的功能。有了自動化測試，這個新功能可以被單獨測試（指開發者測試），而不需要真正的 backend 參與進來。

將 Multiplexer 改用多線程重寫。有了自動化回歸測試，我們不用擔心破壞原有的功能，可以放心大膽地重寫。而且由於 test harness 是從外部測試，不是單元測試，重寫 multiplexer 的時候不用動 test cases，這樣保證了測試的穩定性。另外，這個 test harness 稍作改進還可以進行 stress testing，既可用於驗證多線程 multiplexer 的正確性，亦可對比其相對單線程版的效率提升。

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