仿写 muduo 网络库
网络库实现的核心目标
- 线程安全，支持多核多线程，实现高并发的连接请求和低延时的客户端请求。
- 不考虑可移植性，不跨平台，只支持 Linux，不支持 Windows。
- 主要支持 x86-64，兼顾 IA32。
- 不支持 UDP，只支持 TCP。
- 不支持 IPv6，只支持 IPv4。
- 不考虑广域网应用，只考虑局域网。
- 不考虑公网，只考虑内网。不为安全性做特别的增强。
- 只支持一种使用模式：非阻塞 IO＋one event loop per thread，不支持阻塞 IO。
- API 简单易用，只暴露具体类和标准库里的类。API 不使用 non-trivial templates，也不使用虚函数。
- 只满足常用需求的 90%，不面面俱到，必要的时候以 app 来适应 lib。
- 只做 libray (库)，不做成 framework (构架)
muduo 网络库成功的原因将解决的问题控制在一个范围内，不追求大而全。
1. 第一版本的需求
在客户端获取日志信息，将日志信息发送到服务端，服务端接受日志信息，再接着将日志信息写入文件。代码最终的要求是：
服务器端程序：
- 指定服务器 IP 地址和 Port 端口号；
- 定义服务器对象，执行
bind绑定和listen监听操作； - 接受客户端连接（
accept）； - 与客户端进行数据读写；
- 关闭客户端的连接。
客户端程序：
- 指定连接的服务器 IP 地址和 port 端口号；
- 定义客户端对象；
- 发起与服务器的连接；
- 与服务器进行数据读写；
- 关闭连接。
2. 需求分析
使用 C/S 模型实现日志信息在网络中的发送。
2.1 TCP 客户端和 TCP 服务器的工作流程
客户端工作流程
设置地址信息 ==> 创建 socket ==> 发起连接（connect） ==> 读写数据（read/write） ==> 关闭连接（close）
服务器工作流程
设置地址信息 ==> 创建 socket ==> 绑定（bind）和监听（listen） ==> 监听连接（accept） ==> 读写数据（read/write） ==> 关闭链接（close）
套接字作用说明
- 客户端：创建套接字用于连接服务端；
- 服务器：首先创建套接字用于绑定、监听和获取客户端连接，
accept成功后将获取一个新的连接套接字，专门用于 I/O 事件处理。（一个监听套接字对应多个连接套接字，连接套接字负责具体 I/O 事件）
2.3 识别问题空间中的对象
- InetAddress 对象；
- Socket 对象；
- Acceptor 接受连接对象；
- TcpConnection 全相关连接对象；
- TcpServer 对象；
- Connect 主动发起连接器对象；
- TcpClient 对象；
2.4 确定对象功能
1. InetAddress 对象
- 功能：作为
sockaddr_in的包装器（wrapper），为其它对象提供sockaddr_in地址信息。sockaddr_in是 socket 的专用地址结构体，保存的信息包括地址族、端口号、地址结构体。 - 方法：构造地址，返回地址族信息，设置地址，获取主机 IP 等。
2. Socket 对象
- 功能：为服务器端对象提供监听套接字的封装，完成
bind、listen和接受客户端连接请求（accept）。Socket 对象是 socket 文件描述符（sockfd）的轻量级封装，提供操作底层 sockfd 的常用方法。采用 RAII 方式管理 sockfd，Socket 对象本身不创建或打开 sockfd，仅负责关闭，析构时调用close关闭套接字。 - 方法：绑定 IP 地址（
bind）；监听套接字（listen）；接收连接请求（accept）；关闭连接写方向（shutdown）；获取 TCP 协议栈信息（tcp_info）等。
3. Acceptor 接受连接器对象
- 功能：包含 Socket 对象，用于服务器监听新的客户端连接请求（即 server socket）。当有新的连接请求完成时，构建
TcpConnection连接管理对象。
4. TcpConnection 连接管理对象
- 功能：在执行
accept()函数之后创建，由 Socket 对象持有连接套接字（connfd），包含本地地址（localAddr_）、对端地址（peerAddr_）、读写缓冲区等。作为整个网络库的核心，封装一次 TCP 连接（注意不能发起连接），主要实现连接套接字上的读 / 写、关闭连接等操作。 - 状态：包含四种状态 —— 已连接、未连接、正在连接、正在断开。
- 特殊说明：
TcpConnection类是网络库最核心的类，唯一默认用shared_ptr管理的类，唯一继承自enable_shared_from_this的类。这是因为其生命周期模糊：可能在连接断开时，还有其他地方持有它的引用，贸然delete会造成空悬指针。只有确保其他地方没有持有该对象的引用时，才能安全销毁对象。
5. TcpServer Tcp 服务器对象
2.3 识别问题空间中的对象
2.4 确定对象功能
1. InetAddress 对象
2. Socket 对象
3. Acceptor 接受连接器对象
4. TcpConnection 连接管理对象
5. TcpServer Tcp 服务器对象
- 功能：创建监听套接字对象，用于接收新的客户端连接，并将新连接存储到 map 容器中，管理数据的接受和发送。
- 组成：由
Acceptor连接对象和TcpConnection连接管理对象组成。Acceptor对象负责接受新的 TCP 连接，TcpConnection对象负责对连接进行管理。 - 关联方式：定义回调函数与连接的使用者取得关联。
- 提供接口：（原文未展开，保持原样）
- 对象图：
客户端工作流程
设置地址信息 ==> 创建 socket ==> 发起连接（connect） ==> 读写数据（read/write） ==> 关闭连接（close）
服务器工作流程
设置地址信息 ==> 创建 socket ==> 绑定（bind）和监听（listen） ==> 监听连接（accept） ==> 读写数据（read/write） ==> 关闭链接（close）
套接字作用说明
- 客户端：创建套接字用于连接服务端；
- 服务器：首先创建套接字用于绑定、监听和获取客户端连接，
accept成功后将获取一个新的连接套接字，专门用于 I/O 事件处理。（一个监听套接字对应多个连接套接字，连接套接字负责具体 I/O 事件） - InetAddress 对象；
- Socket 对象；
- Acceptor 接受连接对象；
- TcpConnection 全相关连接对象；
- TcpServer 对象；
- Connect 主动发起连接器对象；
- TcpClient 对象；
- 功能：作为
sockaddr_in的包装器（wrapper），为其它对象提供sockaddr_in地址信息。sockaddr_in是 socket 的专用地址结构体，保存的信息包括地址族、端口号、地址结构体。 - 方法：构造地址，返回地址族信息，设置地址，获取主机 IP 等。
- 功能：为服务器端对象提供监听套接字的封装，完成
bind、listen和接受客户端连接请求（accept）。Socket 对象是 socket 文件描述符（sockfd）的轻量级封装，提供操作底层 sockfd 的常用方法。采用 RAII 方式管理 sockfd，Socket 对象本身不创建或打开 sockfd，仅负责关闭，析构时调用close关闭套接字。 - 方法：绑定 IP 地址（
bind）；监听套接字（listen）；接收连接请求（accept）；关闭连接写方向（shutdown）；获取 TCP 协议栈信息（tcp_info）等。 - 功能：包含 Socket 对象，用于服务器监听新的客户端连接请求（即 server socket）。当有新的连接请求完成时，构建
TcpConnection连接管理对象。 - 功能：在执行
accept()函数之后创建，由 Socket 对象持有连接套接字（connfd），包含本地地址（localAddr_）、对端地址（peerAddr_）、读写缓冲区等。作为整个网络库的核心，封装一次 TCP 连接（注意不能发起连接），主要实现连接套接字上的读 / 写、关闭连接等操作。 - 状态：包含四种状态 —— 已连接、未连接、正在连接、正在断开。
- 特殊说明：
TcpConnection类是网络库最核心的类，唯一默认用shared_ptr管理的类，唯一继承自enable_shared_from_this的类。这是因为其生命周期模糊：可能在连接断开时，还有其他地方持有它的引用，贸然delete会造成空悬指针。只有确保其他地方没有持有该对象的引用时，才能安全销毁对象。 - 功能：创建监听套接字对象，用于接收新的客户端连接，并将新连接存储到 map 容器中，管理数据的接受和发送。
- 组成：由
Acceptor连接对象和TcpConnection连接管理对象组成。Acceptor对象负责接受新的 TCP 连接，TcpConnection对象负责对连接进行管理。 - 关联方式：定义回调函数与连接的使用者取得关联。
- 提供接口：（原文未展开，保持原样）
- 对象图：
客户端工作流程
设置地址信息 ==> 创建 socket ==> 发起连接（connect） ==> 读写数据（read/write） ==> 关闭连接（close）
服务器工作流程
设置地址信息 ==> 创建 socket ==> 绑定（bind）和监听（listen） ==> 监听连接（accept） ==> 读写数据（read/write） ==> 关闭链接（close）
套接字作用说明
- 客户端：创建套接字用于连接服务端；
- 服务器：首先创建套接字用于绑定、监听和获取客户端连接，
accept成功后将获取一个新的连接套接字，专门用于 I/O 事件处理。（一个监听套接字对应多个连接套接字，连接套接字负责具体 I/O 事件）
2.3 识别问题空间中的对象
- InetAddress 对象；
- Socket 对象；
- Acceptor 接受连接对象；
- TcpConnection 全相关连接对象；
- TcpServer 对象；
- Connect 主动发起连接器对象；
- TcpClient 对象；
2.4 确定对象功能
1. InetAddress 对象
- 功能：作为
sockaddr_in的包装器（wrapper），为其它对象提供sockaddr_in地址信息。sockaddr_in是 socket 的专用地址结构体，保存的信息包括地址族、端口号、地址结构体。 - 方法：构造地址，返回地址族信息，设置地址，获取主机 IP 等。
2. Socket 对象
- 功能：为服务器端对象提供监听套接字的封装，完成
bind、listen和接受客户端连接请求（accept）。Socket 对象是 socket 文件描述符（sockfd）的轻量级封装，提供操作底层 sockfd 的常用方法。采用 RAII 方式管理 sockfd，Socket 对象本身不创建或打开 sockfd，仅负责关闭，析构时调用close关闭套接字。 - 方法：绑定 IP 地址（
bind）；监听套接字（listen）；接收连接请求（accept）；关闭连接写方向（shutdown）；获取 TCP 协议栈信息（tcp_info）等。
3. Acceptor 接受连接器对象
- 功能：包含 Socket 对象，用于服务器监听新的客户端连接请求（即 server socket）。当有新的连接请求完成时，构建
TcpConnection连接管理对象。
4. TcpConnection 连接管理对象
- 功能：在执行
accept()函数之后创建，由 Socket 对象持有连接套接字（connfd），包含本地地址（localAddr_）、对端地址（peerAddr_）、读写缓冲区等。作为整个网络库的核心，封装一次 TCP 连接（注意不能发起连接），主要实现连接套接字上的读 / 写、关闭连接等操作。 - 状态：包含四种状态 —— 已连接、未连接、正在连接、正在断开。
- 特殊说明：
TcpConnection类是网络库最核心的类，唯一默认用shared_ptr管理的类，唯一继承自enable_shared_from_this的类。这是因为其生命周期模糊：可能在连接断开时，还有其他地方持有它的引用，贸然delete会造成空悬指针。只有确保其他地方没有持有该对象的引用时，才能安全销毁对象。
5. TcpServer Tcp 服务器对象
2.3 识别问题空间中的对象
2.4 确定对象功能
1. InetAddress 对象
2. Socket 对象
3. Acceptor 接受连接器对象
4. TcpConnection 连接管理对象
5. TcpServer Tcp 服务器对象
- 功能：创建监听套接字对象，用于接收新的客户端连接，并将新连接存储到 map 容器中，管理数据的接受和发送。
- 组成：由
Acceptor连接对象和TcpConnection连接管理对象组成。Acceptor对象负责接受新的 TCP 连接，TcpConnection对象负责对连接进行管理。 - 关联方式：定义回调函数与连接的使用者取得关联。
- 提供接口：（原文未展开，保持原样）
- 对象图：
客户端工作流程
设置地址信息 ==> 创建 socket ==> 发起连接（connect） ==> 读写数据（read/write） ==> 关闭连接（close）
服务器工作流程
设置地址信息 ==> 创建 socket ==> 绑定（bind）和监听（listen） ==> 监听连接（accept） ==> 读写数据（read/write） ==> 关闭链接（close）
套接字作用说明
- 客户端：创建套接字用于连接服务端；
- 服务器：首先创建套接字用于绑定、监听和获取客户端连接，
accept成功后将获取一个新的连接套接字，专门用于 I/O 事件处理。（一个监听套接字对应多个连接套接字，连接套接字负责具体 I/O 事件） - InetAddress 对象；
- Socket 对象；
- Acceptor 接受连接对象；
- TcpConnection 全相关连接对象；
- TcpServer 对象；
- Connect 主动发起连接器对象；
- TcpClient 对象；
- 功能：作为
sockaddr_in的包装器（wrapper），为其它对象提供sockaddr_in地址信息。sockaddr_in是 socket 的专用地址结构体，保存的信息包括地址族、端口号、地址结构体。 - 方法：构造地址，返回地址族信息，设置地址，获取主机 IP 等。
- 功能：为服务器端对象提供监听套接字的封装，完成
bind、listen和接受客户端连接请求（accept）。Socket 对象是 socket 文件描述符（sockfd）的轻量级封装，提供操作底层 sockfd 的常用方法。采用 RAII 方式管理 sockfd，Socket 对象本身不创建或打开 sockfd，仅负责关闭，析构时调用close关闭套接字。 - 方法：绑定 IP 地址（
bind）；监听套接字（listen）；接收连接请求（accept）；关闭连接写方向（shutdown）；获取 TCP 协议栈信息（tcp_info）等。 - 功能：包含 Socket 对象，用于服务器监听新的客户端连接请求（即 server socket）。当有新的连接请求完成时，构建
TcpConnection连接管理对象。 - 功能：在执行
accept()函数之后创建，由 Socket 对象持有连接套接字（connfd），包含本地地址（localAddr_）、对端地址（peerAddr_）、读写缓冲区等。作为整个网络库的核心，封装一次 TCP 连接（注意不能发起连接），主要实现连接套接字上的读 / 写、关闭连接等操作。 - 状态：包含四种状态 —— 已连接、未连接、正在连接、正在断开。
- 特殊说明：
TcpConnection类是网络库最核心的类，唯一默认用shared_ptr管理的类，唯一继承自enable_shared_from_this的类。这是因为其生命周期模糊：可能在连接断开时，还有其他地方持有它的引用，贸然delete会造成空悬指针。只有确保其他地方没有持有该对象的引用时，才能安全销毁对象。 - 功能：创建监听套接字对象，用于接收新的客户端连接，并将新连接存储到 map 容器中，管理数据的接受和发送。
- 组成：由
Acceptor连接对象和TcpConnection连接管理对象组成。Acceptor对象负责接受新的 TCP 连接，TcpConnection对象负责对连接进行管理。 - 关联方式：定义回调函数与连接的使用者取得关联。
- 提供接口：（原文未展开，保持原样）
- 对象图：
- 时序图：
6. Connector 主动发起连接器对象
核心功能
Connector负责主动发起连接，不负责创建sockfd，仅负责连接的建立。外部通过调用Connector::start()即可发起连接，具备重连功能和停止连接功能，连接成功建立后将结果返回给TcpClient。
与 Acceptor 的区别
与Acceptor相比，Connector少了acceptSocket_成员，因为Connector是创建新的sockfd并执行connect操作，其创建流程如下：
Connector::start() → Connector::startInLoop() → void Connector::connect()
关联关系：一个
TcpClient对应一个TcpConnection和一个Connector；而一个TcpServer对应一个TcpConnection列表和一个Acceptor。
非阻塞连接的难点及解决方案
在非阻塞网络中，主动发起连接比被动接收连接更复杂，需考虑错误处理和重试机制，主要难点包括：
-
socket 一次性特性：
socket 是一次性资源，一旦出错无法恢复，仅能关闭后重新创建。使用新的文件描述符（fd）后，需搭配新的channel。 -
连接状态二次确认：
非阻塞模式下，socket可写并不意味着连接已成功建立，需通过getsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, …)再次确认连接状态。
其他确认方法：- 调用
getpeername，若失败返回ENOTCONN，表示连接失败； - 调用
read且长度参数为 0，若失败表示connect失败； - 再次调用
connect，若返回错误EISCONN，表示套接字已成功建立连接。
- 调用
-
指数退避重试机制：
重试间隔时间应逐渐延长（直至back-off），重试通过EventLoop::runAfter实现。为防止Connector在定时器到期前析构，需在Connector的析构函数中注销定时器。 -
防止自连接：
需通过逻辑避免自连接情况的发生。
连接建立后的处理
在handleWrite()中需要调用removeAndResetChannel()，因为此时连接已建立，无需再关注channel的可写事件，最终执行channel_.reset()析构channel。此外，该函数需返回sockfd，交由TcpConnection接管。
7. TcpClient
核心功能
TcpClient负责发起连接，内部包含一个Connector连接器，通过Connector发起连接。连接建立成功后，使用socket创建TcpConnection来管理连接。每个TcpClient类仅管理一个TcpConnection，连接建立成功后会设置相应的回调函数。
组件关系
TcpClient用于管理客户端连接，实际连接操作由Connector执行。Connector类不单独使用，而是封装在TcpClient中，一个Connector对应一个TcpClient。Connector负责建立连接，建立成功后将控制权交给TcpConnection，因此TcpClient中也封装了一个TcpConnection对象。
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