C++20协程项目-高并发Web聊天室，包括协程如何调用MySQL+Redis

来源：程序员老廖

功能概览

• 用户注册/登录：用户名+密码注册，MySQL 存储，INSERT IGNORE 原子去重

• Token 认证：登录后 Redis 存储 token，1 小时过期

• WebSocket 实时聊天：RFC 6455 完整实现，支持文本帧、Ping/Pong、Close

• 消息持久化：Redis List 存储最近 200 条聊天记录

• 历史消息推送：WebSocket 连接建立后推送最近 50 条历史消息

• 全员广播：消息实时推送给所有在线 WebSocket 客户端

• HTTP Keep-Alive：复用 TCP 连接减少开销

• 嵌入式前端：商业 IM 风格 UI，左右分栏布局，彩色头像，连接状态指示器，响应式适配

系统架构

整体架构

线程模型

数据流

用户注册流程

WebSocket 聊天消息流程

文件结构与模块职责

chatapp/
|
+-- coro_net.h 核心协程网络层
| |-- FireAndForget 协程返回类型，启动即忘
| |-- Worker epoll 事件循环 + 协程句柄管理 + 跨线程调度
| |-- AsyncRead 异步 socket 读 awaiter
| |-- AsyncWrite 异步 socket 写 awaiter
| +-- SwitchToWorker 跨线程切换 awaiter
|
+-- async_redis.h Redis 异步访问层
| |-- RedisAwaiter Redis 命令结果容器
| |-- WorkerRedis hiredis-async 适配器，集成 Worker epoll
| +-- AsyncRedisCommand co_await Redis 命令 awaiter
|
+-- async_mysql.h MySQL 异步访问层
| |-- ThreadPool 通用线程池，条件变量调度
| |-- MySQLPool MySQL 连接池，阻塞 acquire/release
| |-- MySQLResult SQL 查询结果
| |-- AsyncMySQLQuery co_await SQL 执行 awaiter
| +-- mysql_escape SQL 参数转义
|
+-- http_server.h HTTP 协议层
| |-- HttpRequest 请求解析：方法、路径、头、body、JSON、Cookie
| |-- HttpResponse 响应构建：状态码、头、body、JSON、重定向
| +-- json_escape JSON 字符串转义
|
+-- websocket.h WebSocket 协议层
| |-- ws_crypto SHA1 + Base64 握手算法
| |-- WSOpcode 帧类型枚举
| |-- WSFrame 帧结构
| |-- ws_encode_frame 服务端帧编码，无 mask
| |-- WSClient 在线客户端信息
| +-- WSManager 连接管理器，广播
|
+-- chat_page.h 嵌入式前端页面（从 chat_app.h 分离）
| +-- HTML_PAGE 商业 IM 风格前端（左右分栏、彩色头像、连接状态）
|
+-- chat_app.h 业务逻辑层
| |-- generate_token 随机 token 生成
| |-- hash_password FNV-1a 密码哈希
| |-- handle_http_conn HTTP/WebSocket 主协程
| +-- 路由处理 注册/登录/发消息/获取消息/WebSocket
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+-- main.cpp 入口
| |-- worker_thread Worker 线程函数
| |-- init_mysql_tables 建表
| +-- main 参数解析、初始化、accept 循环
|
+-- Makefile 编译脚本
+-- benchmark.cpp HTTP 压测工具
+-- ws_bench.cpp WebSocket 压测工具
+-- bench_layers.cpp 分层性能测试
+-- bench_pool.sh 连接池参数调优脚本
+-- test_ws.py WebSocket 功能测试脚本

项目源码：C++20协程项目-高并发Web聊天室，包括协程如何调用MySQL+Redis

核心设计详解

协程网络层 coro_net.h

这是整个系统的基石，将 epoll 事件驱动与 C++20 协程无缝结合。

FireAndForget ------ 协程返回类型

class FireAndForget {
     struct promise_type {
          FireAndForget get_return_object() { return {}; }
          std::suspend_never initial_suspend() { return {}; } // 创建即启动
          std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; } // 结束不挂起
          void return_void() {}
          void unhandled_exception() { std::terminate(); }
    };
};

FireAndForget 是一种 "启动即忘" 的协程。协程创建后立即开始执行（ initial_suspend 返回

suspend_never ），执行完成后自动销毁（ final_suspend 返回 suspend_never ）。调用者不需要管理协程生命周期。

这种设计适用于 "每连接一个协程" 的模型：accept 后创建协程，协程自己管理 fd 的整个生命周期。

Worker ------ epoll 事件循环

Worker 是系统的核心调度器，每个 Worker 在独立线程上运行，管理：

1. epoll 事件循环：处理 socket IO 事件

2. 协程句柄映射：fd → coroutine_handle 的映射表

3. ready_events 缓存：处理事件到达但协程未注册 handle 的时序窗口

4. 跨线程唤醒：eventfd 机制，支持从任意线程唤醒 Worker

5. 自定义 FdHandler：支持 hiredis-async 等第三方库注册自己的 fd 处理逻辑

AsyncRead/AsyncWrite ------ 异步 IO Awaiter

关键优化： await_ready 的先尝试读取（fast path）避免了在数据已就绪时不必要的 suspend/resume 开销。高吞吐场景下，大部分 IO 操作可以在 await_ready 中直接完成。

Redis 异步访问 async_redis.h

Redis 使用 hiredis-async 库，与 Worker 的 epoll 深度集成。

每 Worker 一个 Redis 连接的设计：

• Redis 协议天然支持 pipeline ------ 多个命令可以在一个 TCP 连接上交错发送

• hiredis-async 内部维护命令队列，自动 pipeline

• 一个连接即可服务该 Worker 上的所有协程，无需连接池

MySQL 异步访问 async_mysql.h

MySQL C API ( libmysqlclient ) 是同步阻塞的，无法直接集成到 epoll。解决方案：线程池 + 连接池 + 协程挂起。

关键设计决策：

1. 为什么不用 MySQL 非阻塞 API？

• MySQL C API 的非阻塞模式需要 mysql_real_connect_nonblocking 等函数，API 复杂且文档不足

• MariaDB Connector/C 的非阻塞 API 与 MySQL 不兼容

• 线程池方案简单可靠，性能损失可控

2. 连接池大小如何选择？

• 连接数 = min(CPU 核数 x 2, 并发协程数)

• 8-16 连接已足够饱和大部分场景（MySQL IO 本身是瓶颈）

• 连接过多反而增加 MySQL 内部锁竞争

3. 协程如何不阻塞 Worker 线程？

• await_suspend 把 SQL 任务提交到 ThreadPool 后立即返回

• Worker 线程可以继续处理其他协程的 IO 事件

• SQL 执行完成后通过 worker->schedule + eventfd 唤醒 Worker

HTTP 协议层 http_server.h

实现了 HTTP/1.1 的核心子集：

• 请求解析：方法、路径、Query String、Headers、Body、JSON 提取

• 响应构建：状态码、Headers、Content-Length 自动计算

• Keep-Alive：通过 Connection header 判断是否复用连接

• 无第三方依赖：手写解析器，约 230 行代码

WebSocket 协议层 websocket.h

完整实现 RFC 6455 WebSocket 协议：

WebSocket 帧格式 (RFC 6455 Section 5.2)：

Opcode	类型	用途
0x1	Text frame	聊天消息
0x8	Close frame	关闭连接
0x9	Ping frame	保活检测
0xA	Pong frame	Ping 响应

客户端→服务端：必须 mask（4 字节 XOR 密钥）

服务端→客户端：不能 mask

WSManager ------ 连接管理与广播

class WSManager {
    map<int, WSClient> clients_; // fd -> client info
    mutex mu_;

    void broadcast(const string& message) {
        string frame = ws_encode_frame(WS_TEXT, message);
        lock_guard lock(mu_);
        for (auto& [fd, client] : clients_) {
          ::write(fd, frame.data(), frame.size()); // 同步写
       }
    }
};

业务逻辑层 chat_app.h

前端 UI 架构

嵌入式前端采用商业 IM 风格设计，参考微信 Web / Telegram 等产品的交互范式：

配色方案：

元素	颜色	说明
主色调	#07c160	微信绿
背景色	#f0f0f0	浅灰
侧边栏	#2e2e2e	深色
自己的气泡	#95ec69	绿色
他人的气泡	#ffffff	白色

前端特性：

特性	实现方式
彩色头像	根据用户名哈希从 12 色板选色，首字母大写显示
消息气泡	自己绿色右对齐，他人白色左对齐，微信同款圆角
连接状态	绿色/红色/橙色闪烁圆点，实时反映 WebSocket 状态
多行输入	textarea 自动扩展高度，Shift+Enter 换行，Enter 发送
响应式布局	768px 以下侧边栏隐藏，通过汉堡菜单切换显示
断线重连	WebSocket 断开后 2 秒自动重连，状态指示器联动
侧边栏预览	最新消息自动更新到聊天室描述区域

核心协程生命周期

handle_http_connection 是系统的核心协程，管理单个 TCP 连接的完整生命周期：

协程并发模型

本项目采用 "每个连接一个协程" 的并发模型。每当主线程 accept 一个新的客户端 TCP 连接时，就会创建一个独立

的 handle_http_connection 协程实例。该协程独立管理这个连接的完整生命周期：从读取 HTTP 请求、路由分

发、到 WebSocket 消息循环、最终关闭连接。

一个连接 = 一个协程

关键特征：

• 每个连接独立：协程 A 的 co_await AsyncRead 挂起时，Worker 线程立刻去执行协程 B 的就绪操作，不会阻塞

• M:N 映射：M 个协程映射到 N 个 Worker 线程。当前默认 N=4，可支撑 10,000+ 并发连接

• 连接亲和性：一个协程从创建到销毁始终在同一个 Worker 线程上运行，不跨线程迁移

FireAndForget ------ 启动即忘的协程生命周期

handle_http_connection 的返回类型是 FireAndForget ，这并不意味着"发出去就不管了"，而是 "调用者不需要 co_await 等待它完成" 。协程创建后自行运行，直到连接关闭时自动销毁：

协程调度全景图

与其他并发模型的对比

模型	并发方式	10K 连接开销	代码风格	缺点
每连接一个线程	OS 线程	~80GB 栈内存	同步、直观	线程数受限，上下文切换重
事件回调	回调函数	极低	回调嵌套、状态机	可读性差，错误处理复杂
每连接一个协程	协程 + epoll	~几十 MB	同步风格，异步执行	需要编译器支持 C++20

本项目的协程模型兼具了线程的 代码可读性 和事件驱动的 性能。每个连接的处理逻辑看起来就像普通的顺序代 码，但在 co_await 处自动让出执行权，让 Worker 线程去服务其他连接。

请求处理全流程

HTTP 请求处理流程

用户注册流程

为什么用 INSERT IGNORE 而不是 SELECT + INSERT？

• 原子性：没有检查和插入之间的竞态条件

• 单次 SQL：一次往返替代两次

• +88% QPS：从 5.4K 提升到 10.1K

用户登录流程

WebSocket 建连流程

WebSocket 消息流程

协程调度机制

Worker 事件循环

AsyncRead/AsyncWrite 原理

三阶段协议：

为什么要在 await_ready 中先尝试 syscall？

高吞吐场景下，TCP 接收缓冲区经常有数据，try-first 可以跳过整个 suspend/resume 流程。

跨线程调度 SwitchToWorker

ready_events 缓存机制与 Bug 修复

问题场景

Stale ready_events Bug
======================

Timeline:

t0: Main thread accept(fd=37), add_client_fd(37, EPOLLIN|EPOLLET)
    Data is already in TCP buffer (client sent HTTP request)

t1: Worker epoll_wait returns EPOLLIN for fd=37
    But handles_[37] is nullptr (coroutine hasn't registered yet)
    --> ready_events_[37] = EPOLLIN (cached!)

t2: Coroutine starts, first AsyncRead:
    await_ready: ::read(37) succeeds! returns data
    --> return true (no suspend needed)
    --> ready_events_[37] is NOT cleared

t3: ... HTTP processing, WebSocket handshake ...

t4: WebSocket msg loop, AsyncRead for new frame:
    await_ready: ::read(37) returns EAGAIN (no data)
    --> return false, proceed to await_suspend

t5: await_suspend -> set_client_handle(37, h)
    Worker finds ready_events_[37] has EPOLLIN
    --> immediately resume coroutine!

t6: await_resume: ::read(37) returns -1 (EAGAIN!)
    --> return -1

t7: WebSocket loop: if (n <= 0) break;
    --> Connection closed! BUG!

修复方案

bool await_ready() {
    result_ = ::read(fd_, buf_, len_);
    if (result_ >= 0 || (errno != EAGAIN && errno != EWOULDBLOCK)) {
        // 读取成功，清除可能残留的 stale ready_events
        if (t_worker) t_worker->clear_ready_events(fd_);
        return true;
    }
    return false;
}

同时在 WebSocket 消息循环中增加 EAGAIN 防御性重试：

ssize_t n;
do {
    n = co_await AsyncRead(client_fd, (char*)header, 2);
} while (n < 0 && (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK || errno == EINTR));
if (n <= 0) break;

双层防御：

1. clear_ready_events 从根源消除 stale 缓存

2. EAGAIN 重试作为额外保险

连接复用策略

Redis：每 Worker 一个 hiredis-async 连接

为什么不用连接池？

Redis 单线程处理命令，pipeline 已达最大吞吐

多连接到同一 Redis 实例不会提升性能

一个连接简化了管理，减少了资源消耗

MySQL：全局连接池 + 线程池

为什么不直接在协程中使用 MySQL？

• MySQL C API 是同步阻塞的，会阻塞整个 Worker 线程

• 一个被阻塞的 Worker 线程意味着该 Worker 上的所有协程都停止调度

• 线程池隔离了阻塞操作，Worker 线程永远不会被 MySQL 阻塞

编译与运行

依赖安装

sudo apt install g++ libhiredis-dev libmysqlclient-dev redis-server mysql-server

数据库准备

mysql -u root -e "
CREATE DATABASE IF NOT EXISTS chatapp CHARACTER SET utf8mb4;
CREATE USER IF NOT EXISTS 'chatuser'@'localhost' IDENTIFIED BY 'chatpass';
GRANT ALL PRIVILEGES ON chatapp.* TO 'chatuser'@'localhost';
FLUSH PRIVILEGES;
"

编译

make # 编译 chatserver, benchmark, ws_bench
make clean # 清理

运行

./chatserver --port 9090 --workers 4 --mysql-user chatuser --mysql-pass chatpass

浏览器访问 http://127.0.0.1:9090

完整参数

./chatserver [options]
--port N HTTP 端口 (默认: 8080)
--workers N Worker 线程数 (默认: 4)
--redis-host H Redis 地址 (默认: 127.0.0.1)
--redis-port N Redis 端口 (默认: 6379)
--mysql-host H MySQL 地址 (默认: 127.0.0.1)
--mysql-port N MySQL 端口 (默认: 3306)
--mysql-user U MySQL 用户 (默认: root)
--mysql-pass P MySQL 密码 (默认: 空)
--mysql-db D MySQL 数据库 (默认: chatapp)
--mysql-pool N MySQL 连接池大小 (默认: 8)
--thread-pool N 线程池大小 (默认: 8)

性能测试

测试环境：单机，MariaDB 10.6，Redis 7.x，g++ 11.4，C++20，4 Worker 线程

HTTP 注册/登录性能

压测工具

./benchmark [options]
  -h HOST   目标地址 (默认: 127.0.0.1)
  -p PORT   目标端口 (默认: 9090)
  -t N      线程数 (默认: 4)
  -c N      每线程连接数 (默认: 1)
  -n N      总请求数 (默认: 1000)
  -m MODE   模式: register 或 login
  -k        启用 Keep-Alive

注册性能

方案	连接池	QPS	说明
纯 MySQL INSERT, 16连接直连	-	16,155	基准上限
INSERT IGNORE + HTTP + 协程	8	10,163	达到基准的 63%
INSERT IGNORE + HTTP + 协程	16	10,905	达到基准的 67%
INSERT IGNORE + HTTP + 协程	32	12,392	达到基准的 77%

登录性能

连接模式	并发连接数	QPS
短连接	64	9,259
Keep-Alive	16	9,461
Keep-Alive	32	10,493
Keep-Alive	64	10,799

WebSocket 性能

压测工具

./ws_bench [options]
  -h HOST   目标地址 (默认: 127.0.0.1)
  -p PORT   目标端口 (默认: 9090)
  -c N      并发连接数 (默认: 100)
  -n N      总消息数 (默认: 1000)
  -t N      线程数 (默认: 4)
  -m MODE   模式: connect, throughput, echo, concurrent

连接容量

并发连接数	成功率	连接速率	总耗时
50	100%	1,356 conn/s	0.15s
500	100%	2,110 conn/s	1.24s
1,000	100%	2,469 conn/s	1.96s
2,000	100%	1,949 conn/s	4.77s
5,000	100%	1,429 conn/s	12.3s
10,000	100%	3,144 conn/s	20.5s

4 Worker 线程可维护 10,000+ 并发 WebSocket 长连接。连接建立耗时主要来自 HTTP 注册/登录，WebSocket握手本身很快。

回声延迟（单发送者 + N-1 旁观者）

在线连接	成功率	P50	P90	P95	P99	Max
1	100%	0.27ms	0.27ms	0.28ms	0.28ms	1.5ms
10	100%	0.27ms	0.28ms	0.29ms	1.65ms	3.2ms
100	100%	0.79ms	1.10ms	1.38ms	2.09ms	6.3ms
500	93.8%	28.1ms	778ms	1,323ms	1,936ms	1,997ms

100 连接以内，P50 延迟 < 1ms。500 连接时广播成为瓶颈，延迟急剧上升。

消息吞吐量（发送 + 广播全接收）

连接数	消息/连接	发送 QPS	接收率	广播 QPS	总耗时
10	100	19,856	100%	2,451	4.1s
50	20	14,990	100%	3,518	14.2s
100	10	13,387	100%	3,796	26.4s

消息零丢失。发送 QPS ~15-20K，广播 QPS ~2.5-3.8K（计入 N 倍扇出）。

并发回声（多连接同时发+收）

连接数	消息总数	成功率	QPS	P50	P90	P99	Max
10	1,000	100%	20,387	0.06ms	0.29ms	0.58ms	1.9ms
50	1,000	100%	17,537	0.26ms	0.30ms	1.91ms	2.2ms
100	1,0000	100%	20,335	0.26ms	0.29ms	1.06ms	5.5ms

并发模式下 QPS 稳定在 ~20K echo/s，P50 < 0.3ms。

总结

本项目展示了 C++20 协程在实际网络应用中的完整实践：

维度	数据
代码规模	~1,500 行 C++
并发连接	10,000+ WebSocket
HTTP QPS	10K-12K 注册/s
WebSocket 延迟	P50 < 0.3ms
消息吞吐	~20K msg/s
Worker 线程	4 个
外部依赖	hiredis, libmysqlclient

协程的核心价值：用同步代码的可读性，获得异步代码的性能。

项目源码：C++20协程项目-高并发Web聊天室，包括协程如何调用MySQL+Redis