C++网络编程 卷1 运用ACE和模式消除复杂性——笔记1

第0篇

0.3.1 面向对象中间件层

1、常见面向对象中间件体系结构:
1)主机基础设施中间件:对并发和ipc机制封装,如JavaPackage、ACE
2)分布式中间件:扩充1),使一些网络编程任务(连接管理和内存管理、整编、解编、端点和请求的多路分离)自动化,即只需向目标对象请求操作,不关心目标的位置、语言、OS、硬件,核心是ORB(Object Request Broker),如COM+、Java RMI、CORBA,主要是管理支持“面向对象”分布式编程模型的终端系统资源,
3)公共中间件服务:扩展2),定义了更高层次、独立于特定领域的服务,如事件通知、日志记录、持久性安全且可恢复的事务,是对整个分布式系统中的各种资源进行分配、调度和协调
4)特定领域中间件服务:满足特定领域(如电信、电子商务、医疗保健、过程自动化、航空电子)的特定需求,面向“纵向市场”(其他中间件层提供的是广泛复用、横向的机制和服务)

0.4 ACE工具包

1、 ACE软件包基础:
1)ACE OS Adaptation层:封装了原始的基于C的OS API,提供统一的OS接口
2)ACE C++ Wrapper Facade层:在类型安全的面向对象接口中封装了一些C++类,而不再是独立的C函数
3)ACE framework层:集成、扩充2),运用高级的并发和网络编程模式,具体化ACE中多组相关类之间的标准控制流程和合作,获得更大范围的软件可复用性
a)事件多路分离和分发框架:Reactor和Proactor框架,自动处理和应用相关的处理程序的多路分离和分发,以相应各种基于I/O、计时器、信号、同步的事件
b)连接建立和服务初始化框架,Acceptor-Connertor框架,将主动和被动初始化角色,和初始化结束后通信对等服务所执行的应用处理,分离开来
c)并发框架:Task框架,实现主要的并发模式(Active Object、Half-Sync/Half-Async),将方法的执行/请求、同步/异步处理分离开来
d)服务配置起框架:Component Configurator组建配置起模式,支持开发后期动态组装,运行期间动态重新配置
e)流框架:Pipes and Filters模式,每个处理步骤封装在过滤模块。
4)ACE网络服务组件层:网络服务库,库中的服务被包装成组件,ACE库本身不包含这些组件,它们被捆绑在ACE软件的发行包中,提供的功能有,演示ACE功能的常见使用方式、提取客服用的网络应用构件

第1篇 面向对象网络编程

第1章 通信设计空间

1.1 无连接与面向连接

无连接提供“面向消息”服务,即每个消息独立寻址发送,不保证到达次序,不保证一定会到达,如用户数据报协议UDP/IP,可直接用于多媒体应用,允许一定程度的数据丢失,还是支持不可靠的多播、广播
面向连接提供可靠、有序、不重复的发送服务,如传输控制协议TCP,用于面向会话的应用,设计时必须考虑:
(1)数据成帧策略:某些面向连接(TP4、XTP)协议支持面向消息发送策略,而TCP是字节流协议,不保护应用程序消息的边界,因此要在字节流上实现数据分帧机制
(2)连接多路复用策略
1)多路复用:多线程的客户请求都通过一条TCP连接传递给服务器进程,优点节省OS资源,缺点编程难、效率低、确定性低
2)非多路复用:每个库户通过不同的连接和对等服务程序通信,优点可以更好控制通信的优先级,同步开销小,发送和接收双向请求不需要额外的锁定工作,缺点使用更多OS资源,某些环境(如大容量电子商务服务器)伸缩性不是很好

1.2 同步、异步消息交换

管理请求-应答协议交换策略:同步、异步,选择时考虑的因素请求之间的关联性、底层协议或传输介质的延迟
(1)同步请求-应答协议:锁步次序交换,即每个请求必须同步接收到一个应答,才能发送下一个请求,使用场合:
1)请求的结果决定后续请求
2)应用程序中交换的信息需要在低延迟网络中执行短期处理
3)比异步性能提高
(2)异步请求-应答协议:将请求连续发送到服务端,不需要等应当再发下一个请求,因此需要一种策略来检查请求的丢失或失败,然后重新发送,使用场合:
1)无需应答就可以决定后续请求,每个请求是独立的
2)通信延迟和请求所需处理事件密切相关

1.3 消息传递、共享内存

消息传递:明确地通过IPC(Inter Process Communication,进程间通信)机制交换字节流和“面向记录”的数据,IPC机制:通过IPC信道,将数据以消息形式从一个进程或线程传输给另一个进程或线程
共享内存:允许相同或不同主机上的多个进程访问、交换数据,就像数据位于没一个进程的本地地址空间一样,两种形式:
(1)本地共享内存:进程拥有一个或多个共享内存区,可以被映射到不同的虚拟地址范围
1)System V UNIX共享内存,shmget()创建或返回共享内存区,进程通过shmat()将该内存去挂接到自己的虚拟地址空间
2)内存映射文件,文件的全部或局部映射到虚拟内存区,该虚拟内存区被多个进程共享,内存映射文件的内存可以转存至永久存储器中
(2)分布式共享内存DSM:程序设计的一种抽象,扩张了OS虚拟内存机制,以供应程序所需,通过全局/共享内存中的数据尽心透明的进程间通信,提现共享内存多处理器和分布式系统这两种计算范式的结合

第2章 Socket API 概述

2.1 操作系统IPC机制

操作系统IPC机制分为两类:
本地IPC:位于同一计算机上实体间通信,如共享内存、管道、UNIX领域、socket、门、信号等
远程IPC:允许配置或分布在一个网络上的实体间通信,如Internet邻域socket、X.25电路、Win32命名管道

2.2 Socket API

Socket API包含大约20多个系统函数,分为五类:
1)本地环境管理,管理本地环境信息,这些信息通常存储在OS内核或系统库中
socket()、bind()、getsockname()、getpeername()、close()
2)连接的建立和终止
connect()、listen()、accept()、shutdown()
3)数据传输机制,通过socket句柄发送和接收数据
send()、recv()通过特定I/O口传送和接收数据缓冲区
sendto()、recvfrom()交换“无连接”数据包,每一个sendto调用都要提供接收方IP
UNIX上还可用于其他类型的I/O句柄,如文件和终端设备,read()和write()、readv()和writev()、sendmsg()和recvmsg()
4)选项管理,可改变缺省的socket行为,来支持多播广播,能修改/查询传输缓冲区大小
setsockopt():在协议栈的不同层修改选项
getsockopt():在协议栈的不同层查询选项
5)网络地址,将可读性名称解析为地基网络地址
gethostbyname()、gethostbyaddr()处理主机名和IPv4地址在指尖的网络地址映射
getipnodebyname()、getipnodebyaddr()处理主机名和IPv4/IPv6地址之间的网络地址映射
getservbyname()通过具有可读性的名称标识服务
Socket API常用来编写TCP/IP应用层程序,也可以支持多个通信领域,通信领域由协议簇和地址簇确定:
1)协议簇:如UNIX领域(PF-UNIX)、Internet领域的IPv4(PF-INET)和IPv6(PF-INET6)、ATM(PF-ATMSVC)、X.25(PF-X25)、Appletalk(PF-APPLETALK)等
2)服务类型:如有序可靠的字节流SOCK_STREAM、不可靠的数据报SOCK_DGRAM等,通过PF_INET(或PF_INET6)和SOCK_STREAM标志给socket()函数,就制定了TCP/IP协议

2.3 Socket API局限性

2.3.1 容易出错

2.3.2 过于复杂

2.3.3 不可移植或不统一

各平台之间存在分歧:
1)函数名称:如read、write函数无法移植到所有操作系统,Windows定义了不同的函数ReadFile、WriteFile、closesocket等
2)函数语义:如UNIX、Win32中,可以将NULL指针传给accept,其他平台不一定可以
3)Socket句柄类型不同
4)头文件名称不同

第3章 ACE Socket Wrapper Facade

3.1 概述

3.2 ACE_Addr类和ACE_INET_Addr类

3.3 ACE_IPC_SAP类

抽象类
enable()和disable():启用/禁止“I/O句柄”选项
set_handle()和get_handle():设置和获取底层I/O句柄

3.4 ACE_SOCK类

抽象类
Open()和close():创建和销毁socket通信端点
set_local_addr()和get_remote_addr():分别返回本地和远程对等端的地址
set_option()和get_option():设置和获取socket选项

3.5 ACE_SOCK_Connector类

factory,用于主动建立新的通信端,功能:
1)发起到“对等接受着”的连接,建立连接后初始化一个ACE_SOCK_Stream对象
2)连接可通过“阻塞”、“非阻塞”、“定时”方式发起,通过ACE_Time_value值来控制connect方法
3)运用C++ traits,支持泛型编程,可以通过c++参数化类型进行功能上批量替换

3.6 ACE_SOCK_IO类和ACE_SOCK_Stream类

ACE_SOCK_Stream类,派生自ACE_SOCK_IO类,封装了“数据模式”socket支持的数据传输机制
send()和recv():读写字节数可能比请求的字节数少,收OS缓冲机制和传输协议流量控制影响
send_n()和recv_n():少量写入、少量读取
sendv_n()和recvv_n():使用OS的分散读取、集中发送系统函数

3.7 ACE_SOCK_Acceptor类

open()、accept()

第4章 网络日志服务程序的实现

4.1 概述

4.2 ACE_Message_Block类

高效管理具有固定/可变长度的消息
模型大致基于System VSTREAMS消息缓冲机制,支持两种消息:
简单消息:至包含一个ACE_Message_Block
复合消息:包含多个ACE_Message_Block,依据Composite模式连接,形成一种结构,构造“递归聚合体”

4.3 ACE_InputCDR类和ACE_OutputCDR类

4.4 日志服务器初始版

4.4.1 Logging_Server基类

Loggint_Server::run()模版方法,其中的open、wait_for_multiple_events、handle_data、handle_connections都是hook方法,可以被子类重写

4.4.2 Logging_Handler类

方法有recv_log_record()、write_log_record()、log_record()

4.4.3 Iterative——Logging_Server类

1)hook方法handle_connection接收客户新连接,收到下个客户连接前会阻塞
2)hook方法handle_data读取和处理,直到连接关闭或发生错误
3)回到1)

4.5 客户程序

Logging_Client类,send方法

第2篇 并发式面向对象网络编程

第5章 并发设计空间

5.1 循环、并发、反应式服务器

(1)循环式服务器:处理后续请求之前,会完整处理每个客户请求,处理一个请求时,要么讲其他请求排成队列,要么忽略,适合短期服务(如标准Internet RCHO和DATIME服务)、不经常运行的服务(如夜间才运行的“远程文件系统备份服务”)
(2)并发式服务器:同时处理多个客户请求,要使用多进程或多线程,单服务服务器则同一服务的多副本可同时运行,多服务服务器则不同服务的多副本也可同时运行,适合I/O操作频繁的服务、执行时间会变的长周期服务,需要使用信号量或互斥锁保证进程线程键的合作和数据共享,通常对每个客户请求,主线程会单独创建一个工作者线程,如线程池、进程池模型
(3)反应式服务器:几乎是同时处理多个请求,所有处理实际在一个线程中完成,通常通过“同步事件多路分离”策略来实现,即多个服务请求有一个单线程进程依次循环处理,如基于select()的反应式服务器
局限性:
编程复杂性增加:需要显式创建事件循环线程、手动保存和恢复环境信息
可靠性和性能降低:一个操作失败整个服务器进程会挂起,只要有一个服务调用系统函数出错,os会阻塞整个进程,降低服务器进程性能,如果只是用非阻塞方法,很难使用DMA之类的高级技术,也就无法利用数据和指令缓存的引用局部性来提高性能
通过并发式服务器或异步I/O可以解决这些局限性

5.2 进程与线程

多进程->多线程

5.3 进程/线程创建策略 

(1)急式创建策略:服务器创建期间,会预先创建一个或多个进程/线程,形成一个池,池可以静态或动态扩充或收缩,可通过半同步/半异步模式将I/O层请求向上提供给池中工作者线程,或通过领导者/跟随者模式管理线程池(池中请求没有同步或排序限制时,用该模式可提高性能)
(2)随需创建策略:在客户连接或数据请求来时创建新进程或线程

5.4 用户、核心、混合线程模型

(1)模型之间的区别主要是线程所处的竞争范围不同:
1)进程竞争范围:线程在统一进程中竞争被调度的CPU时间,不和其他进程的线程竞争
2)系统竞争范围:无论线程和什么进程关联,直接和系统范围内其他线程竞争,
(2)三种线程调度模型:
1)N:1用户线程模型
2)1:1核心线程模型:“系统范围”线程
3)N:M混合线程模型
(3)竞争范围选择:
1)为避免和其他任务发生冲突而创建线程,应使用“系统范围”线程,1:1模型系统直接可提供系统范围线程,N:M模型系统中,可以显示请求系统竞争,N:1系统则不方便
2)为简化应用程序设计而创建线程,使用“进程范围”线程,N:1模型直接得到或N:M模型中请求得到
(4)利用多线程,掌握同步模式和OS并发机制可简化程序设计
(5)多线程比使用同步/异步事件处理模式(如Reactor或Proactor)更直接

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