摘 要: 介紹了ACE反應(yīng)器框架的核心設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),,揭示了該框架對事件實(shí)施多路分解和分派的機(jī)制。
關(guān)鍵詞: ACE反應(yīng)器 設(shè)計(jì)模式 框架
在分布式系統(tǒng),、特別是服務(wù)器的事件驅(qū)動型應(yīng)用中,,必須隨時準(zhǔn)備同時處理多個服務(wù)請求。許多傳統(tǒng)的應(yīng)用程序在處理諸如網(wǎng)絡(luò)連接這樣的多個I/O端口服務(wù)時,,往往借助于多進(jìn)程模型或多線程模型,。這種方法在需要同時處理多個網(wǎng)絡(luò)連接的服務(wù)器程序中相當(dāng)流行。但是,,在一些系統(tǒng)中,,進(jìn)程和線程的創(chuàng)建開銷和維護(hù)代價非常大。其不足主要表現(xiàn)在以下方面:
(1)由于CPU之間的上下文切換,、同步和數(shù)據(jù)移動,,使得線程方法效率不高。
(2)線程方法不適用于所有的操作系統(tǒng),,并且不是所有的操作系統(tǒng)都提供可移植的線程語義,。
(3)相似的事件處理代碼在每一個新的工程中,,由開發(fā)者面對許多復(fù)雜細(xì)節(jié)的情況下被重復(fù)地開發(fā)出來,并且這些程序在移植時困難重重,。
(4)在制訂進(jìn)程或線程策略進(jìn)行并發(fā)服務(wù)器的優(yōu)化時,,如果不考慮像CPU的數(shù)目這樣的可用資源,實(shí)際上往往降低了程序的執(zhí)行效率,。
本文描述ACE(自適配通信環(huán)境)反應(yīng)器框架的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),。該框架可以有效克服上述不足。它實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器(Reactor)模式[1],,該模式將事件多路分解和分派機(jī)制從服務(wù)中對指示事件的與應(yīng)用有關(guān)的處理分離了出去,。應(yīng)用的每個服務(wù)可由一個或多個方法組成,并由一個單獨(dú)的事件處理器代表,;事件處理器負(fù)責(zé)分派服務(wù)特有的請求,。在ACE的反應(yīng)器模式的實(shí)現(xiàn)中,事件處理器分派由ACE_Reactor對象完成,。
1 ACE反應(yīng)器框架類
這一部分簡要介紹反應(yīng)器框架(ACE_Reactor)的類,。圖1顯示了該框架中相關(guān)類之間最為重要的關(guān)系。
(1)ACE_Time_Value類:主要用于ACE Reactor I/O超時和定時器設(shè)置,。
(2)ACE_Event_Handler類:抽象類,,其接口提供的掛鉤方法是ACE_Reactor回調(diào)的目標(biāo)。大多數(shù)通過ACE開發(fā)的應(yīng)用事件處理器都是該類的后代,。
(3)ACE_Timer_Queue類:抽象類,定義定時器隊(duì)列的能力和接口,。
(4)ACE_Reactor類:提供一個接口,,用來在Reactor框架中管理事件處理器登記,并執(zhí)行事件循環(huán)來驅(qū)動事件檢測,、多路分解和分派,。
依照反應(yīng)器模式,這些類扮演了事件基礎(chǔ)設(shè)施層和應(yīng)用層二種角色,。其中,,擔(dān)當(dāng)應(yīng)用層角色的是ACE_Event_Handle類。
2 ACE反應(yīng)器框架的核心實(shí)現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)ACE反應(yīng)器框架的關(guān)鍵是運(yùn)用反應(yīng)器(Reactor)模式,。反應(yīng)器模式中有五個主要的組成部分:(1)操作系統(tǒng)提供的句柄:用于標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)連接或打開的文件之類的事件源,,事件源產(chǎn)生指示事件并對其進(jìn)行排隊(duì)。(2)同步事件多路分解器:是一個函數(shù),,如select()等,,它是事件多路分解器的核心。(3)事件處理程序:定義一個或多個鉤子方法組成的接口,。(4)具體事件處理程序:從事件處理程序接口繼承,,并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用所特定的服務(wù),。(5)反應(yīng)器:定義了一個接口,允許應(yīng)用程序登記或刪除事件處理程序及其相關(guān)的句柄,,并運(yùn)行應(yīng)用程序的事件循環(huán),。反應(yīng)器使用同步事件多路分解器等待在句柄集上發(fā)生指示事件。
應(yīng)用程序開發(fā)者只需要負(fù)責(zé)具體事件處理程序,,并在反應(yīng)器上予以注冊,,應(yīng)用程序就可以簡單地重用反應(yīng)器的多路分解和分配機(jī)制了。反應(yīng)器模式引入的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)回調(diào)的方法是:反應(yīng)器等待指示事件,,多路分解這些事件給具體事件處理程序,,然后向具體事件處理程序分派相應(yīng)的鉤子方法。下面介紹反應(yīng)器框架的實(shí)現(xiàn),。
2.1 定義事件處理程序?qū)ο?/strong>
在面向?qū)ο髴?yīng)用中,,將事件處理程序與句柄結(jié)合起來的方法是建立一個事件處理對象。ACE反應(yīng)器框架定義了不同類型的各種對象及相應(yīng)的鉤子方法,,這種由具體事件處理對象來分派的多接口策略更具可擴(kuò)展性,。下面簡化的C++抽象基類即是在ACE反應(yīng)器框架中用來產(chǎn)生這種類型的對象:
class ACE_Event_Handler{
public://由反應(yīng)器分派的用以處理各種具體事件處理程序的鉤子方法
virtual int handle_input(HANDLE handle)=0;//輸入事件
virtual int handle_outpur(HANDLE handle)=0,;//輸出事件
virtual int handle_timeout(const ACE_Time_Value&)=0,;
//超時事件
virtual HANDLE get_handle( ) const=0;}//用于返回I/O句柄的鉤子方法
2.2 定義反應(yīng)器接口
下面是一個簡化的ACE_Reactor類,,它是ACE反應(yīng)器框架中實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器模式的關(guān)鍵類,。應(yīng)用程序使用該反應(yīng)器接口登記或刪除事件處理程序及其相關(guān)句柄,并調(diào)用應(yīng)用程序的事件循環(huán),。通常用單件[5]訪問反應(yīng)器接口,,因?yàn)橐粋€應(yīng)用程序中有一個反應(yīng)器就夠了。
class ACE_Reactor {
public:
virtual int register_handler(ACE_Event_Handler*event_
handler,,ACE_Reactor_Mask masks),;
//登記具體事件處理器
virtual int register_handler(ACE_Sig_Set sigset,ACE_Event_
Handler*event_handler,,ACE_Reactor_Mask masks),;
//該事件處理器與信號處理有關(guān)
virtual int schedule_timer(ACE_Event_Handler*event_
handler,ACE_Time_Value time),;//登記一個事件處理器
//它將在用戶規(guī)定的時間后被執(zhí)行
virtual int remove_handler(HANDLE h,,ACE_Reactor_
Mask masks);//移除具體事件處理器
void handle_events(ACE_Time_Value*timeout=0),;
//啟動反應(yīng)器的事件循環(huán)處理
static Reactor*instance( ),;//返回反應(yīng)器單體實(shí)例
private:
ACE_Reactor_Impl implementation;}//反應(yīng)器的具體實(shí)現(xiàn)
在上面的類中,ACE_Reactor_Mask是個自定義類型:
typedef unsigned long ACE_Reactor_Mask
它一般取以下枚舉類型的值,,用來標(biāo)志不同類型的事件:
enum{
READ_MASK=(1 << 0),,
WRITE_MASK=(1 << 1),
EXCEPT_MASK=(1 <<2 )
……}
ACE_Reactor類是應(yīng)用程序用以訪問ACE反應(yīng)器框架的公共接口,。橋接模式[5]使ACE_Reactor接口與它的ACE_Reactor_Impl子類實(shí)現(xiàn)耦合,。在不同OS平臺上,該子類的實(shí)現(xiàn)也不相同,。但是,,ACE_Reactor接口提供的方法的名字和總的功能保持不變。這種統(tǒng)一性源于ACE_Reactor設(shè)計(jì)的模塊性,,該設(shè)計(jì)還增強(qiáng)了反應(yīng)器的可重用性,、可移植性和可維護(hù)性。
2.3 反應(yīng)器中多路分解和分派的實(shí)現(xiàn)
通常,,除了調(diào)用同步事件多路分解器等待句柄集發(fā)生指示事件外,,反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)還要維護(hù)一個多路分解表。該表是個管理者,,包含一個格式為<句柄,,事件處理程序,指示事件類型>的三元組,,這使得所激活的句柄與激活該句柄的指示事件類型,、所激活的句柄與該句柄所關(guān)聯(lián)的事件處理器三者之間清晰地聯(lián)系在一起??捎肔inux操作系統(tǒng)為例來闡述這一點(diǎn),,因?yàn)樵贚inux中,I/O句柄是連續(xù)的整數(shù),,這使得句柄值成為多路分解表數(shù)組的索引,。
在具體實(shí)現(xiàn)中,ACE反應(yīng)器類的私有部分有一個包含上述多路分解表的對象handler_rep_,,該對象存放著一個實(shí)現(xiàn)句柄到具體事件處理器映射的表,,它是下面所示類的一個實(shí)例:
class ACE_Select_Reactor_Handler_Repository{
public://尋找與handle相關(guān)聯(lián)的具體事件處理器
ACE_Event_Handler*find(ACE_HANDLE handle,,size_t
*index_p=0),;
//使得具體事件的句柄、指示標(biāo)志綁定在一起
Int bind(ACE_HANDLE,,ACE_Event_Handler*,,ACE_
Reactor_Mask):
size_t size(void) const;//返回表中所綁定的具體事件處理器的個數(shù)
private://盛裝一個事件處理器ACE_Event_Handler和其相關(guān)
//聯(lián)的ACE_HANDLE句柄
ACE_Event_Tuple*event_handler-,;}
class ACE_Event_Tuple{
public:
ACE_HANDLE handle_,;
ACE_Event_Handler*event_handler_;}
當(dāng)具體事件處理器調(diào)用register_handler( )方法向Reactor類登記時,,將調(diào)用方法handler_rep_.bind (handle,,event_handler,,mask),把這個“三元組”置于handler_rep_對象中,。
在ACE中,,用包裝器外觀類ACE_Handle_Set來封裝句柄集,用一個實(shí)現(xiàn)了迭代模式的類ACE_Handle_Set_
Iterator來迭代該句柄集中的句柄,。一旦反應(yīng)器進(jìn)入主入口點(diǎn)方法handle_events( ),,應(yīng)用程序?qū)⒗盟磻?yīng)性地實(shí)現(xiàn)事件循環(huán)。當(dāng)有指示事件發(fā)生時,,反應(yīng)器多路分解與分派(即回調(diào))的方式為:該框架把反應(yīng)器應(yīng)處理的事件分成三種不同的類型,,其中一類為I/O事件,由方法dispatch_io_
handlers( )加以處理,。下面以處理常見應(yīng)用中的I/O事件為例說明反應(yīng)器的多路分解和分派的實(shí)現(xiàn),。
先定義一個函數(shù)指針:
typedef int (ACE_Event_Handler∷?鄢ACE_EH_PTMF) (ACE_HANDLE);
此函數(shù)指針是實(shí)現(xiàn)具體服務(wù)分派的基礎(chǔ),,因?yàn)榉磻?yīng)器通過函數(shù)指針決定了應(yīng)調(diào)用handle_?鄢( )方法中的哪一種,。
再定義一個函數(shù):
ACE_Reactor_impl∷dispatch_io_set( ACE_Handle_Set&
dispatch_mask,ACE_EH_PTMF callback)
{ ACE_Handle_Set_Iterator handle_iter(dispatch_mask),;
//對特定句柄集中的句柄進(jìn)行迭代
While(handle=handle_iter( ),!=ACE_INVALID_HANDLE)
{ ACE_Event_Handler //找出被激活句柄相關(guān)聯(lián)
//的事件處理器
event_handler=this->handler_rep_.find(handle);
//利用函數(shù)指針對反映器進(jìn)行回調(diào)
(event_handler->*callback)(handle),;}
}
上述函數(shù)對dispatch_mask句柄集中的句柄執(zhí)行循環(huán)檢測,。一旦某句柄被激活,即找出該句柄所關(guān)聯(lián)的ACE_Event_Handler對象,,然后執(zhí)行該對象所分派的方法,,而具體方法由callback傳遞。
3 運(yùn)用反應(yīng)器框架的示例
以常見的登錄服務(wù)器為例,。登錄服務(wù)器使用由兩個具體事件處理程序,,即登錄接受器和登錄連接器實(shí)現(xiàn)的單件反應(yīng)器。下面的代碼框架實(shí)現(xiàn)了登錄服務(wù)器示例中的具體事件處理程序,。其中:My_Accept_Handler類(登錄接受器)用來被動地建立連接,,My_Input_Handler類(登錄連接器)提供與應(yīng)用有關(guān)的服務(wù)。
class My_Input_Handler:public ACE_Event_Handler{
public:
int handle_input(ACE_HANDLE){ //回調(diào),,以處理任何到來的連接
……具體代碼略……}
private:
ACE_SOCK_Stream peer_,;}//流對象,用于讀寫
class My_Accept_Handler:public ACE_Event_Handler{
public:
My_Accept_Handler(ACE_Addr &addr){this->open(addr),;}
int open(ACE_Addr &addr) {//打開接受器,,監(jiān)聽客戶連接
peer_acceptor.open(addr);}
int handle_input(ACE_HANDLE handle){
//重載handle_input( )方法
……代碼略,客戶請求連接,,則建立一個處理器來處理這個連接……}
private:
ACE_SOCK_Accepto peer_acceptor,;} //用以被動接受連接的接受器
int main(int argc,char*argv[]){
ACE_INET_Addr addr(PORT_NO),;//建立一個用來接受連接的地址
//建立一個接受事件處理器用以自動偵聽客戶連接
My_Accept_Handler*eh=new My_Accept_Handler(addr),;
//向Reactor登記,以使在有連接請求時實(shí)現(xiàn)回調(diào)
ACE_Reactor∷instance( )->register_handler(eh,,
ACE_Event_Handler∷ACCEPT_MASK),;
while(1) //運(yùn)行事件循環(huán)
ACE_Reactor∷instance()->handle_events();}
4 總 結(jié)
本文對實(shí)現(xiàn)ACE反應(yīng)器框架的核心源碼進(jìn)行了分析,,揭示了該框架使多路分解和分派機(jī)制與應(yīng)用定義的事件處理策略相分離的方法,。最后的實(shí)例表明,通過封裝許多復(fù)雜的功能,,該框架可簡潔,、正確、可移植和高效地進(jìn)行事件驅(qū)動型網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的開發(fā),,從而使網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)者能夠?qū)W⒂趹?yīng)用所特有的服務(wù),。
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