仿RabbitMq实现简易消息队列基础篇（Muduo库的使用）

疏 石 兰 兮2024-08-17 7:02
@TOC

Muduo库简介

Muduo由陈硕⼤佬开发，是⼀个基于⾮阻塞IO和事件驱动的C++⾼并发TCP⽹络编程库。他是一款基于主从Reactor模型的网络库，其使用的线程模型是one loop per thread, 所谓 one loop per thread 指的是：

  • 一个线程只能有一个事件循环（EventLoop），用于相应计时器和IO时间
  • 一个文件描述符只能由一个线程进行读写，换句话说就是一个TCP连接必须归属某个EventLoop管理

Muduo库常见接口介绍

muduo::net::TcpServer类基础介绍

typedef std::shared_ptr<TcpConnection> TcpConnectionPtr;
typedef std::function<void(const TcpConnectionPtr &)> ConnectionCallback;
typedef std::function<void(const TcpConnectionPtr &,
                           Buffer *,
                           Timestamp)>
    MessageCallback;
class InetAddress : public muduo::copyable
{
public:
    InetAddress(StringArg ip, uint16_t port, bool ipv6 = false);
};
class TcpServer : noncopyable
{
public:
    enum Option
    {
        kNoReusePort,
        kReusePort,
    };
    TcpServer(EventLoop *loop,
              const InetAddress &listenAddr,
              const string &nameArg,
              Option option = kNoReusePort);
    void setThreadNum(int numThreads);
    void start();
    /// 当⼀个新连接建⽴成功的时候被调⽤
    void setConnectionCallback(const ConnectionCallback &cb)
    {
        connectionCallback_ = cb;
    }
    /// 消息的业务处理回调函数---这是收到新连接消息的时候被调⽤的函数
    void setMessageCallback(const MessageCallback &cb)
    {
        messageCallback_ = cb;
    }
};

muduo::net::EventLoop 类基础介绍

class EventLoop : noncopyable
{
public:
    /// 无限循环。
    /// 必须在与对象创建相同的线程中调用。
    void loop();
    /// 退出循环。
    /// 如果通过原始指针调用，这不是 100% 线程安全，
    /// 最好通过 shared_ptr<EventLoop> 调用以保证 100% 安全。
    void quit();
    TimerId runAt(Timestamp time, TimerCallback cb);
    /// 在 @c delay 秒后运行回调。
    /// 线程安全，可以从其他线程调用。
    TimerId runAfter(double delay, TimerCallback cb);
    /// 每隔 @c interval 秒运行一次回调。
    /// 线程安全，可以从其他线程调用。
    TimerId runEvery(double interval, TimerCallback cb);
    /// 取消定时器。
    /// 线程安全，可以从其他线程调用。
    void cancel(TimerId timerId);

private:
    std::atomic<bool> quit_;
    std::unique_ptr<Poller> poller_;
    mutable MutexLock mutex_;
    std::vector<Functor> pendingFunctors_ GUARDED_BY(mutex_);
};

muduo::net::TcpConnection 类基础介绍

class TcpConnection : noncopyable,
                      public std::enable_shared_from_this<TcpConnection>
{
public:
    /// 使用已连接的 sockfd 构造 TcpConnection
    ///
    /// 用户不应创建此对象。
    TcpConnection(EventLoop *loop,
                  const string &name,
                  int sockfd,
                  const InetAddress &localAddr,
                  const InetAddress &peerAddr);

    /// 检查连接是否已建立
    bool connected() const { return state_ == kConnected; }

    /// 检查连接是否已断开
    bool disconnected() const { return state_ == kDisconnected; }

    /// 发送消息（右值引用，C++11）
    void send(string &&message); // C++11

    /// 发送消息（指针和长度）
    void send(const void *message, int len);

    /// 发送消息（StringPiece）
    void send(const StringPiece &message);

    /// 发送消息（Buffer 指针，交换数据）
    void send(Buffer *message); // this one will swap data

    /// 关闭连接（非线程安全，不能同时调用）
    void shutdown(); // NOT thread safe, no simultaneous calling

    /// 设置上下文
    void setContext(const boost::any &context)
    {
        context_ = context;
    }

    /// 获取上下文（常量引用）
    const boost::any &getContext() const
    {
        return context_;
    }

    /// 获取可变的上下文指针
    boost::any *getMutableContext()
    {
        return &context_;
    }

    /// 设置连接回调函数
    void setConnectionCallback(const ConnectionCallback &cb)
    {
        connectionCallback_ = cb;
    }

    /// 设置消息回调函数
    void setMessageCallback(const MessageCallback &cb)
    {
        messageCallback_ = cb;
    }

private:
    /// 连接状态枚举
    enum StateE
    {
        kDisconnected,
        kConnecting,
        kConnected,
        kDisconnecting
    };

    EventLoop *loop_;                             // 事件循环指针
    ConnectionCallback connectionCallback_;       // 连接回调函数
    MessageCallback messageCallback_;             // 消息回调函数
    WriteCompleteCallback writeCompleteCallback_; // 写完成回调函数
    boost::any context_;                          // 上下文数据
};

muduo::net::TcpClient类基础介绍

class TcpClient : noncopyable
{
public:
    /// 构造函数，通过服务器地址和客户端名称构造TcpClient
    TcpClient(EventLoop *loop,
              const InetAddress &serverAddr,
              const string &nameArg);

    /// 析构函数，强制外部析构，以便管理std::unique_ptr成员
    ~TcpClient(); // force out-line dtor, for std::unique_ptr members.

    /// 连接服务器
    void connect();

    /// 断开连接
    void disconnect();

    /// 停止客户端
    void stop();

    /// 获取客户端对应的通信连接Connection对象的接口
    /// 在调用connect后，有可能连接还没有建立成功
    TcpConnectionPtr connection() const
    {
        MutexLockGuard lock(mutex_);
        return connection_;
    }

    /// 设置连接服务器成功时的回调函数
    void setConnectionCallback(ConnectionCallback cb)
    {
        connectionCallback_ = std::move(cb);
    }

    /// 设置收到服务器发送的消息时的回调函数
    void setMessageCallback(MessageCallback cb)
    {
        messageCallback_ = std::move(cb);
    }

private:
    EventLoop *loop_;                                // 事件循环指针
    ConnectionCallback connectionCallback_;          // 连接回调函数
    MessageCallback messageCallback_;                // 消息回调函数
    WriteCompleteCallback writeCompleteCallback_;    // 写完成回调函数
    TcpConnectionPtr connection_ GUARDED_BY(mutex_); // 连接对象，受mutex_保护
};

/*
需要注意的是，因为muduo库不管是服务器端还是客户端都是异步操作，
对于客户端来说，如果我们在连接还没有完全建立成功的时候发送数据，这是不被允许的。
因此我们可以使用内置的CountDownLatch类进行同步控制。
*/
class CountDownLatch : noncopyable
{
public:
    /// 显式构造函数，初始化倒计时计数
    explicit CountDownLatch(int count);

    /// 等待倒计时完成
    void wait()
    {
        MutexLockGuard lock(mutex_);
        while (count_ > 0)
        {
            condition_.wait();
        }
    }

    /// 倒计时减一
    void countDown()
    {
        MutexLockGuard lock(mutex_);
        --count_;
        if (count_ == 0)
        {
            condition_.notifyAll();
        }
    }

    /// 获取当前倒计时计数
    int getCount() const;

private:
    mutable MutexLock mutex_;                // 互斥锁，受保护的成员变量
    Condition condition_ GUARDED_BY(mutex_); // 条件变量，受mutex_保护
    int count_ GUARDED_BY(mutex_);           // 倒计时计数，受mutex_保护
};

muduo::net::Buffer 类基础介绍

class Buffer : public muduo::copyable
{
public:
    /// 常量：预留的前置空间大小
    static const size_t kCheapPrepend = 8;

    /// 常量：初始缓冲区大小
    static const size_t kInitialSize = 1024;

    /// 显式构造函数，初始化缓冲区大小
    explicit Buffer(size_t initialSize = kInitialSize)
        : buffer_(kCheapPrepend + initialSize),
          readerIndex_(kCheapPrepend),
          writerIndex_(kCheapPrepend) {}

    /// 交换缓冲区内容
    void swap(Buffer &rhs);

    /// 可读字节数
    size_t readableBytes() const;

    /// 可写字节数
    size_t writableBytes() const;

    /// 返回指向可读数据的指针
    const char *peek() const;

    /// 查找换行符（CRLF）的指针
    const char *findEOL() const;

    /// 从指定位置开始查找换行符（CRLF）的指针
    const char *findEOL(const char *start) const;

    /// 从缓冲区中取出指定长度的数据
    void retrieve(size_t len);

    /// 从缓冲区中取出一个64位整数
    void retrieveInt64();

    /// 从缓冲区中取出一个32位整数
    void retrieveInt32();

    /// 从缓冲区中取出一个16位整数
    void retrieveInt16();

    /// 从缓冲区中取出一个8位整数
    void retrieveInt8();

    /// 将缓冲区中的所有数据取出并转换为字符串
    string retrieveAllAsString();

    /// 将缓冲区中指定长度的数据取出并转换为字符串
    string retrieveAsString(size_t len);

    /// 向缓冲区追加字符串
    void append(const StringPiece &str);

    /// 向缓冲区追加指定数据和长度
    void append(const char * /*restrict*/ data, size_t len);

    /// 向缓冲区追加指定数据和长度
    void append(const void * /*restrict*/ data, size_t len);

    /// 返回指向可写数据的指针
    char *beginWrite();

    /// 返回指向可写数据的常量指针
    const char *beginWrite() const;

    /// 更新已写入的长度
    void hasWritten(size_t len);

    /// 向缓冲区追加一个64位整数
    void appendInt64(int64_t x);

    /// 向缓冲区追加一个32位整数
    void appendInt32(int32_t x);

    /// 向缓冲区追加一个16位整数
    void appendInt16(int16_t x);

    /// 向缓冲区追加一个8位整数
    void appendInt8(int8_t x);

    /// 从缓冲区中读取一个64位整数
    int64_t readInt64();

    /// 从缓冲区中读取一个32位整数
    int32_t readInt32();

    /// 从缓冲区中读取一个16位整数
    int16_t readInt16();

    /// 从缓冲区中读取一个8位整数
    int8_t readInt8();

    /// 查看缓冲区中的一个64位整数
    int64_t peekInt64() const;

    /// 查看缓冲区中的一个32位整数
    int32_t peekInt32() const;

    /// 查看缓冲区中的一个16位整数
    int16_t peekInt16() const;

    /// 查看缓冲区中的一个8位整数
    int8_t peekInt8() const;

    /// 在缓冲区前面添加一个64位整数
    void prependInt64(int64_t x);

    /// 在缓冲区前面添加一个32位整数
    void prependInt32(int32_t x);

    /// 在缓冲区前面添加一个16位整数
    void prependInt16(int16_t x);

    /// 在缓冲区前面添加一个8位整数
    void prependInt8(int8_t x);

    /// 在缓冲区前面添加指定数据和长度
    void prepend(const void * /*restrict*/ data, size_t len);

private:
    std::vector<char> buffer_; // 缓冲区
    size_t readerIndex_;       // 读索引
    size_t writerIndex_;       // 写索引
    static const char kCRLF[]; // 换行符常量
};

接下来就是通过上面的接口来使用muduo库通过protobuf实现网络通信，这里我们简单写一个计算器

客户端

#include "muduo/proto/dispatcher.h"
#include "muduo/proto/codec.h"
#include "muduo/base/Logging.h"
#include "muduo/base/Mutex.h"
#include "muduo/net/EventLoop.h"
#include "muduo/net/TcpClient.h"
#include "muduo/net/EventLoopThread.h"
#include "muduo/base/CountDownLatch.h"

#include "request.pb.h"
#include <memory>
#include <iostream>


class Client
{
public:
    typedef std::shared_ptr<sslx::AddResponse> AddResponsePtr;
    typedef std::shared_ptr<sslx::SubResponse> SubResponsePtr;
    typedef std::shared_ptr<sslx::MulResponse> MulResponsePtr;
    typedef std::shared_ptr<sslx::DivResponse> DivResponsePtr;
    typedef std::shared_ptr<sslx::ErrorResponse> ErrorResponsePtr;
    typedef std::shared_ptr<google::protobuf::Message> MessagePtr;

    Client(const std::string& sip, int port)
        :_latch(1),
        _client(_loopthread.startLoop(), muduo::net::InetAddress(sip, port), "Client"),
        _dispatcher(std::bind(&Client::onUnknownMessage, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3)),
        _codec(std::bind(&ProtobufDispatcher::onProtobufMessage, &_dispatcher, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3))
    {
        // 注册业务回复处理函数
        _dispatcher.registerMessageCallback<sslx::AddResponse>(std::bind(&Client::onAdd, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3));
        _dispatcher.registerMessageCallback<sslx::SubResponse>(std::bind(&Client::onSub, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3));
        _dispatcher.registerMessageCallback<sslx::MulResponse>(std::bind(&Client::onMul, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3));
        _dispatcher.registerMessageCallback<sslx::DivResponse>(std::bind(&Client::onDiv, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3));
        _dispatcher.registerMessageCallback<sslx::ErrorResponse>(std::bind(&Client::onError, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3));
    
        _client.setMessageCallback(std::bind(&ProtobufCodec::onMessage, &_codec, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3));
        _client.setConnectionCallback(std::bind(&Client::onConnection, this, std::placeholders::_1));
    
        Connect();
    }

    void Connect()
    {
        _client.connect();
        _latch.wait();
    }

    void Add(int num1 , int num2)
    {
        sslx::AddRequest req;
        req.set_num1(num1);
        req.set_num2(num2);
        send(req);
    }
        
    void Sub(int num1 , int num2)
    {
        sslx::SubRequest req;
        req.set_num1(num1);
        req.set_num2(num2);
        send(req);
    }


    void Mul(int num1 , int num2)
    {
        sslx::MulRequest req;
        req.set_num1(num1);
        req.set_num2(num2);
        send(req);
    }

    void Div(int num1 , int num2)
    {
        sslx::DivRequest req;
        req.set_num1(num1);
        req.set_num2(num2);
        send(req);
    }
private:
    bool send(const google::protobuf::Message& msg)
    {
        //连接状态正常，再发送，否则就返回false
        if(_conn->connected())
        {
            _codec.send(_conn, msg);
            return true;
        }
        return false;
    }

    void onConnection(const muduo::net::TcpConnectionPtr& conn)
    {
        if(conn->connected())
        {
            _conn = conn;
            _latch.countDown();
        }
        else
        {
            _conn.reset();  // 连接关闭时的操作
        }
    }


    void onUnknownMessage(const muduo::net::TcpConnectionPtr& conn, const MessagePtr& msg, muduo::Timestamp)
    {
        LOG_INFO << "onUnknowMessage" << msg->GetTypeName();
        conn->shutdown();
    }

    void onAdd(const muduo::net::TcpConnectionPtr& conn, const AddResponsePtr& msg, muduo::Timestamp)
    {
        std::cout << "加法结果 : " << msg->result() << std::endl; 
    }

    void onSub(const muduo::net::TcpConnectionPtr& conn, const SubResponsePtr& msg, muduo::Timestamp)
    {
        std::cout << "减法结果 : " << msg->result() << std::endl;
    }

    void onMul(const muduo::net::TcpConnectionPtr& conn, const MulResponsePtr& msg, muduo::Timestamp)
    {
        std::cout << "乘法结果 : " << msg->result() << std::endl;
    }

    void onDiv(const muduo::net::TcpConnectionPtr& conn, const DivResponsePtr& msg, muduo::Timestamp)
    {
        std::cout << "除法结果 : " << msg->result() << std::endl;
    }

    void onError(const muduo::net::TcpConnectionPtr& conn, const ErrorResponsePtr& msg, muduo::Timestamp)
    {
        std::cout << "出现除零错误" << std::endl;
    }

private:
    muduo::CountDownLatch _latch;  //主要同步主线程和网络线程，确保在连接建立之前不会发送请求
    muduo::net::EventLoopThread _loopthread; // 提供一个独立的事件循环，用于处理网络事件
    muduo::net::TcpConnectionPtr _conn;  // 保存当前的TcpConnectionPtr, 用于在连接建立之后发送消息
    muduo::net::TcpClient _client; // 管理客户端的连接和重连
    ProtobufDispatcher _dispatcher; // 用于根据消息的类型调用相应的处理函数
    ProtobufCodec _codec; // 负责Protobuf消息的编解码

};

int main()
{
    Client client("127.0.0.1", 8085);
    client.Add(11, 11);
    client.Sub(11, 11);

    sleep(1);
    return 0; 
}

服务端

#include <muduo/proto/codec.h>
#include "muduo/proto/dispatcher.h"
#include "muduo/base/Logging.h"
#include "muduo/base/Mutex.h"
#include "muduo/net/EventLoop.h"
#include "muduo/net/TcpServer.h"

#include "request.pb.h"

#include <memory>
#include <string>
#include <iostream>
#include <unordered_map>

class Server
{
public:
    typedef std::shared_ptr<google::protobuf::Message> MessagePtr;
    typedef std::shared_ptr<sslx::AddRequest> AddRequestPtr;
    typedef std::shared_ptr<sslx::SubRequest> SubRequestPtr;
    typedef std::shared_ptr<sslx::MulRequest> MulRequestPtr;
    typedef std::shared_ptr<sslx::DivRequest> DivRequestPtr;

    Server(int port)
        :_server(&_baseLoop, muduo::net::InetAddress("0.0.0.0", port), "Server", muduo::net::TcpServer::kReusePort),
        _dispatcher(std::bind(&Server::onUnknownMessage, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3)),
        _codec(std::bind(&ProtobufDispatcher::onProtobufMessage, &_dispatcher, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3))
    {
        _dispatcher.registerMessageCallback<sslx::AddRequest>(std::bind(&Server::onAdd, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3));
        _dispatcher.registerMessageCallback<sslx::SubRequest>(std::bind(&Server::onSub, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3));
        _dispatcher.registerMessageCallback<sslx::MulRequest>(std::bind(&Server::onMul, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3));
        _dispatcher.registerMessageCallback<sslx::DivRequest>(std::bind(&Server::onDiv, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3));
    
        _server.setMessageCallback(std::bind(&ProtobufCodec::onMessage, &_codec, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3));
        _server.setConnectionCallback(std::bind(&Server::onConnection, this, std::placeholders::_1));
    }

    void start()
    {
        _server.start();
        _baseLoop.loop();
    }
private:

    int Add(int num1, int num2)
    {
        return num1 + num2;
    }

    int Sub(int num1, int num2)
    {
        return num1 - num2;
    }

    int Mul(int num1, int num2)
    {
        return num1 * num2;
    }

    int Div(int num1, int num2)
    {
        if(num2 == 0)
        {
            return INT_MIN;
        }
        return num1 / num2;
    }

    void onAdd(const muduo::net::TcpConnectionPtr& conn, const AddRequestPtr& msg, muduo::Timestamp)
    {
        sslx::AddResponse resp;
        int ret = Add(msg->num1(), msg->num2());
        resp.set_result(ret);
        _codec.send(conn, resp);
    }

    void onSub(const muduo::net::TcpConnectionPtr& conn, const SubRequestPtr& msg, muduo::Timestamp)
    {
        sslx::SubResponse resp;
        int ret = Sub(msg->num1(), msg->num2());
        resp.set_result(ret);
        _codec.send(conn, resp);
    }

    void onMul(const muduo::net::TcpConnectionPtr& conn, const MulRequestPtr& msg, muduo::Timestamp)
    {
        sslx::MulResponse resp;
        int ret = Mul(msg->num1(), msg->num2());
        resp.set_result(ret);
        _codec.send(conn, resp);
    }

    void onDiv(const muduo::net::TcpConnectionPtr& conn, const DivRequestPtr& msg, muduo::Timestamp)
    {
        sslx::DivResponse resp1;
        sslx::ErrorResponse resp2;
        int ret = Div(msg->num1(), msg->num2());
        if(ret ==INT_MIN)
        {
            resp2.set_msg(std::to_string(ret));
            _codec.send(conn, resp2);
        }
        else
        {
            resp1.set_result(ret);
            _codec.send(conn, resp1);
        }
    }

    void onUnknownMessage(const muduo::net::TcpConnectionPtr& conn, const MessagePtr& message, muduo::Timestamp)
    {
        LOG_INFO << "onUNknownMessage : " << message->GetTypeName();
        conn->shutdown();
    }

    void onConnection(const muduo::net::TcpConnectionPtr& conn)
    {
        if(conn->connected())
        {
            LOG_INFO << "新连接建立成功";
        }
        else
        {
            LOG_INFO << "连接已关闭";
        }
    }

private:
    muduo::net::EventLoop _baseLoop;
    muduo::net::TcpServer _server; //服务器对象
    ProtobufDispatcher _dispatcher; // 请求分发对象 --要向其中注册请求处理函数
    ProtobufCodec _codec;   // protobuf协议处理器--针对收到的请求数据进行protobuf协议处理

};

int main()
{
    Server server(8085);
    server.start();
    return 0;
}

这里简单梳理一下网路的流程：在进行初始化的时候，客户端和服务端之间会对_codec和_dispatcher还有事件监控循环线程，在建立连接的时候，异步线程会通过setConnectionCallback的回调函数，onConnection函数中的countDown() 函数唤醒主线程开始进行业务处理，在进行业务处理的时候，会将请求通过send发到缓冲区中，响应报文回来之后会给setMessageCallback函数传递信号，然后由loop线程来接收到响应，调用相关的函数来对结果进行处理。

protobuf

syntax = "proto3";

package sslx;

message AddRequest
{
    int32 num1 = 1;
    int32 num2 = 2;
}

message AddResponse
{
    int32 result = 1;
}

message SubRequest
{
    int32 num1 = 1;
    int32 num2 = 2;
}

message SubResponse
{
    int32 result = 1;
}

message MulRequest
{
    int32 num1 = 1;
    int32 num2 = 2;
}

message MulResponse
{
    int32 result = 1;
}

message DivRequest
{
    int32 num1 = 1;
    int32 num2 = 2;
}

message DivResponse
{
    int32 result = 1;
}

message ErrorResponse
{
    string msg = 1;
}

makefile

all: client server
client: client.cc request.pb.cc mqthird/include/muduo/proto/codec.cc
	g++ -g -o $@ $^ -std=c++11 -I./mqthird/include -L./mqthird/lib -lmuduo_net -lmuduo_base -lpthread -lprotobuf -lz
server: server.cc request.pb.cc mqthird/include/muduo/proto/codec.cc
	g++ -g -o $@ $^ -std=c++11 -I./mqthird/include -L./mqthird/lib -lmuduo_net -lmuduo_base -lpthread -lprotobuf -lz
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf server client

gitee

https://gitee.com/pu-mingbo/master.git

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