三年來一直從事伺服器程式開發，一直都是忙忙碌碌，不久前結束了職業生涯的第一份工作，有了一個禮拜的休息時間，終於可以寫寫總結了。於是把以前的開原始碼做了整理和優化，這就是FFLIB。雖然這邊總結看起來像日記，有很多廢話，但是此文仍然是有很大針對性的。針對伺服器開發中常見的問題，如多執行緒併發、訊息轉發、非同步、效能優化、單元測試，提出自己的見解。
面對的問題
從事開發工程中，遇到過不少問題，很多時候由於時間緊迫，沒有使用優雅的方案。在跟業內的一些朋友交流過程中，我也意識到有些問題是大家都存在的。簡單列舉如下：
- 多執行緒與併發
- 非同步訊息/介面呼叫
- 訊息的序列化與Reflection
- 效能優化
- 單元測試
多執行緒與併發
現在是多核時代，併發才能實現更高的吞吐量、更快的響應，但也是把雙刃劍。總結如下幾個用法：
- 多執行緒+顯示鎖；介面是被多執行緒呼叫的，當被呼叫時，顯示加鎖，再操作實體資料。悲劇的是，工程師為了優化會設計多個鎖，以減少鎖的粒度，甚至有些地方使用了原子操作。這些都為領域邏輯增加了額外的設計負擔。最壞的情況是會出現死鎖。
- 多執行緒+任務佇列；介面被多執行緒呼叫，但請求會被暫存到任務佇列，而任務佇列會被單執行緒不斷執行，典型生產者消費者模式。它的併發在於不同的介面可以使用不同的任務佇列。這也是我最常用的併發方式。
這是兩種最常見的多執行緒併發，它們有個天生的缺陷——Scalability。一個機器的效能總是有瓶頸的。兩個場景的邏輯雖然由多個執行緒實現了併發，但是運算量十分有可能是一臺機器無法承載的。如果是多程式併發，那麼可以分散式把其部署到其他機器（也可部署在一臺機器）。所以多程式併發比多執行緒併發更加Scalability。另外採用多程式後，每個程式單執行緒設計，這樣的程式更加Simplicity。多程式的其他優點如解耦、模組化、方便除錯、方便重用等就不贅言了。
非同步訊息/介面呼叫
提到分散式，就要說一下分散式的通訊技術。常用的方式如下：
- 類RPC；包括WebService、RPC、ICE等，特點是遠端同步呼叫。遠端的介面和本地的介面非常相似。但是遊戲伺服器程式一般非常在意延遲和吞吐量，所以這些阻塞執行緒的同步遠端呼叫方式並不常用。但是我們必須意識到他的優點，就是非常利於呼叫和測試。
- 全非同步訊息；當呼叫遠端介面的時候，非同步傳送請求訊息，介面響應後返回一個結果訊息，呼叫方的回撥函式處理結果訊息繼續邏輯操作。所以有些邏輯就會被切割成ServiceStart和ServiceCallback兩段。有時非同步會講領域邏輯變得支離破碎。另外訊息處理函式中一般會寫一坨的switch/case 處理不同的訊息。最大的問題在於單元測試，這種情況傳統單元測試根本束手無策。
訊息的序列化與Reflection
實現訊息的序列化和反序列化的方式有很多，常見的有Struct、json、Protobuff等都有很成功的應用。我個人傾向於使用輕量級的二進位制序列化，優點是比較透明和高效，一切在掌握之中。在FFLIB 中實現了bin_encoder_t 和 bin_decoder_t 輕量級的訊息序列化，幾十行程式碼而已。
效能優化
已經寫過關於效能方面的總結，參見：http://www.cnblogs.com/zhiranok/archive/2012/06/06/cpp_perf.html
有的網友提到profiler、cpuprofiler、callgrind等工具。這些工具我都使用過，說實話，對於我來說，我太認同它有很高的價值。第一他們只能用於開發測試階段，可以初步得到一些效能上參考資料。第二它們如何實現跟蹤人們無從得知。執行其會使程式變慢，不能反映真實資料。第三重要的是，開發測試階段效能和上線後的能一樣嗎？Impossible ！
關於效能，原則就是資料說話，詳見博文，不在贅述。
單元測試
關於單元測試，前邊已經談論了一些。遊戲伺服器程式一般都比較龐大，但是不可思議的是，鄙人從來沒見有專案（c++ 後臺架構的）有完整單元測試的。由於存在著非同步和多執行緒，傳統的單元測試框架無法勝任，而開發支援非同步的測試框架又是不現實的。我們必須看到的是，傳統的單元測試框架已經取得了非常大的成功。據我瞭解，使用web 架構的遊戲後臺已經對於單元測試的使用已經非常成熟，取得了極其好的效果。所以我的思路是利用現有的單元測試框架，將非同步訊息、多執行緒的架構做出調整。
已經多次談論單元測試了。其實在開發FFLIB的思路很大程度來源於此，否則可能只是一個c++ 網路庫而已。我決定嘗試去解決這個問題的時候，把FFLIB 定位於框架。
先來看一段非常簡單的單元測試的程式碼 ：
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Assert(2 == Add(1, 1)); |
請允許我對這行程式碼做些解釋，對Add函式輸入引數，驗證返回值是否是預期的結果。這不就是單元測試的本質嗎？在想一下我們非同步傳送訊息的過程，如果每個輸入訊息約定一個結果訊息包，每次傳送請求時都繫結一個回撥函式接收和驗證結果訊息包。這樣的話就恰恰滿足了傳統單元測試的步驟了。最後還需解決一個問題，Assert是不能處理非同步的返回值的。幸運的是，future機制可以化非同步為同步。不瞭解future 模式的可以參考這裡：
http://blog.chinaunix.net/uid-23093301-id-190969.html
http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/dd764564.aspx#Y300
來看一下在FFLIB框架下遠端呼叫echo 服務的示例：
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struct lambda_t { static void callback(echo_t::out_t& msg_) { echo_t::in_t in; in.value = "XXX_echo_test_XXX"; singleton_t<msg_bus_t>::instance() .get_service_group("echo") ->get_service(1)->async_call(in, &lambda_t::callback); } }; echo_t::in_t in; in.value = "XXX_echo_test_XXX"; singleton_t<msg_bus_t>::instance().get_service_group("echo")->get_service(1)->async_call(in, &lambda_t::callback); |
當需要呼叫遠端介面時，async_call(in, &lambda_t::callback); 非同步呼叫必須繫結一個回撥函式，回撥函式接收結果訊息，可以觸發後續操作。這樣的話，如果對echo 的遠端介面做單元測試，可以這樣做：
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rpc_future_t< echo_t::out_t> rpc_future; echo_t::in_t in; in.value = "XXX_echo_test_XXX"; const echo_t::out_t& out = rpc_future.call( singleton_t<msg_bus_t>::instance() .get_service_group("echo")->get_service(1), in); Assert(in.value == out.value); |
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這樣所有的遠端介面都可以被單元測試覆蓋。 |
FFLIB 介紹
FFLIB 結構圖
如圖所示，Client 不會直接和Service 相連線，而是通過Broker 中間層完成了訊息傳遞。關於Broker 模式可以參見：http://blog.chinaunix.net/uid-23093301-id-90459.html
程式間通訊採用TPC，而不是多執行緒使用的共享記憶體方式。Service 一般是單執行緒架構的，通過啟動多程式實現相對於多執行緒的併發。由於Broker模式天生石分散式的，所以有很好的Scalability。
訊息時序圖
如何註冊服務和介面
來看一下Echo 服務的實現：
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struct echo_service_t { public: void echo(echo_t::in_t& in_msg_, rpc_callcack_t<echo_t::out_t>& cb_) { logtrace((FF, "echo_service_t::echo done value<%s>", in_msg_.value.c_str())); echo_t::out_t out; out.value = in_msg_.value; cb_(out); } }; int main(int argc, char* argv[]) { int g_index = 1; if (argc > 1) { g_index = atoi(argv[1]); } char buff[128]; snprintf(buff, sizeof(buff), "tcp://%s:%s", "127.0.0.1", "10241"); msg_bus_t msg_bus; assert(0 == singleton_t<msg_bus_t>::instance().open("tcp://127.0.0.1:10241") && "can't connnect to broker"); echo_service_t f; singleton_t<msg_bus_t>::instance().create_service_group("echo"); singleton_t<msg_bus_t>::instance().create_service("echo", g_index) .bind_service(&f) .reg(&echo_service_t::echo); signal_helper_t::wait(); singleton_t<msg_bus_t>::instance().close(); //usleep(1000); cout <<"\noh end\n"; return 0; } |
- create_service_group 建立一個服務group，一個服務組可能有多個並行的例項
- create_service 以特定的id 建立一個服務例項
- reg 為該服務註冊介面
- 介面的定義規範為void echo(echo_t::in_t& in_msg_, rpc_callcack_t<echo_t::out_t>& cb_)，第一個引數為輸入的訊息struct，第二個引數為回撥函式的模板特例，模板引數為返回訊息的struct 型別。介面無需知道傳送訊息等細節，只需將結果callback 即可。
- 註冊到Broker 後，所有Client都可獲取該服務
訊息定義的規範
我們約定每個介面（遠端或本地都應滿足）都包含一個輸入訊息和一個結果訊息。來看一下echo 服務的訊息定義：
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struct echo_t { struct in_t: public msg_i { in_t(): msg_i("echo_t::in_t") {} virtual string encode() { return (init_encoder() << value).get_buff(); } virtual void decode(const string& src_buff_) { init_decoder(src_buff_) >> value; } string value; }; struct out_t: public msg_i { out_t(): msg_i("echo_t::out_t") {} virtual string encode() { return (init_encoder() << value).get_buff(); } virtual void decode(const string& src_buff_) { init_decoder(src_buff_) >> value; } string value; }; }; |
- 每個介面必須包含in_t訊息和out_t訊息，並且他們定義在介面名（如echo _t）的內部
- 所有訊息都繼承於msg_i, 其封裝了二進位制的序列化、反序列化等。構造時賦予型別名作為訊息的名稱。
- 每個訊息必須實現encode 和 decode 函式
這裡需要指出的是，FFLIB 中不需要為每個訊息定義對應的CMD。當介面如echo向Broker 註冊時，reg介面通過C++ 模板的型別推斷會自動將該msg name 註冊給Broker， Broker為每個msg name 分配唯一的msg_id。Msg_bus 中自動維護了msg_name 和msg_id 的對映。Msg_i 的定義如下：
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struct msg_i : public codec_i { msg_i(const char* msg_name_): cmd(0), uuid(0), service_group_id(0), service_id(0), msg_id(0), msg_name(msg_name_) {} void set(uint16_t group_id, uint16_t id_, uint32_t uuid_, uint16_t msg_id_) { service_group_id = group_id; service_id = id_; uuid = uuid_; msg_id = msg_id_; } uint16_t cmd; uint16_t get_group_id() const{ return service_group_id; } uint16_t get_service_id() const{ return service_id; } uint32_t get_uuid() const{ return uuid; } uint16_t get_msg_id() const{ return msg_id; } const string& get_name() const { if (msg_name.empty() == false) { return msg_name; } return singleton_t<msg_name_store_t>::instance().id_to_name(this->get_msg_id()); } void set_uuid(uint32_t id_) { uuid = id_; } void set_msg_id(uint16_t id_) { msg_id = id_;} void set_sgid(uint16_t sgid_) { service_group_id = sgid_;} void set_sid(uint16_t sid_) { service_id = sid_; } uint32_t uuid; uint16_t service_group_id; uint16_t service_id; uint16_t msg_id; string msg_name; virtual string encode(uint16_t cmd_) { this->cmd = cmd_; return encode(); } virtual string encode() = 0; bin_encoder_t& init_encoder() { return encoder.init(cmd) << uuid << service_group_id << service_id<< msg_id; } bin_encoder_t& init_encoder(uint16_t cmd_) { return encoder.init(cmd_) << uuid << service_group_id << service_id << msg_id; } bin_decoder_t& init_decoder(const string& buff_) { return decoder.init(buff_) >> uuid >> service_group_id >> service_id >> msg_id; } bin_decoder_t decoder; bin_encoder_t encoder; }; |
關於效能
由於遠端介面的呼叫必須通過Broker， Broker會為每個介面自動生成效能統計資料，並每10分鐘輸出到perf.txt 檔案中。檔案格式為CSV，參見：http://www.cnblogs.com/zhiranok/archive/2012/06/06/cpp_perf.html
總結
FFLIB框架擁有如下的特點：
- 使用多程式併發。Broker 把Client 和Service 的位置透明化
- Service 的介面要註冊到Broker， 所有連線Broker的Client 都可以呼叫（publisher/ subscriber）
- 遠端呼叫必須繫結回撥函式
- 利用future 模式實現同步，從而支援單元測試
- 訊息定義規範簡單直接高效
- 所有service的介面效能監控資料自動生成，免費的午餐
- Service 單執行緒話，更simplicity
原始碼：
Svn co http://ffown.googlecode.com/svn/trunk/
執行示例：
- Cd example/broker && make && ./app_broker –l http://127.0.0.1:10241
- Cd example/echo_server && make && ./app_echo_server
- Cd example/echo_client && make && ./app_echo_client