[架构] ZeroMQ 深度探索（二）

时间：2022-05-25 13:35:11
在上一篇《 ZeroMQ 深度探索（一）》中，我们使用 ZeroMQ 完成了基本的“请求-响应”模式，这个例子是基于 TCP 协议的，用法和原生的 Socket API 也差不多，都是“初始化、绑定或连接、发送、接收 ...”的流程，但是在一些特殊的情况下，我们发现了一些有趣的现象。我们尝试在未启动服务端（hwserver）的情况下运行客户端（hwclient），我们发现客户端程序在发送了第一条信息之后就阻塞住了，如图2-1。

[架构] ZeroMQ 深度探索（二）
图2-1

接着，我们再启动服务端程序，发现客户端程序又开始正常运行了，连续发了 10 条消息后退出。这种现象似乎和 Socket API 的 TCP 通信行为不大相同，接下来我们来验证一下。我们使用 Socket API 来实现一个与前面相同的“请求-响应”模式的例子。下面是服务端代码（hwserver2.c），逻辑和之前的 hwserver.c 类似，监听 6666 端口，不停地接受、打印并返回信息，每次处理后停止 1 秒。 
#include <stdio.h>#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORTNUM 6666
#define CONNMAX 5
#define BUFFSIZE 32
#define die(err) { perror(err); exit(1); }

void c_action(int sock)
{
    char buffer[BUFFSIZE];
    int received = -1;
    char *send_s = "World";
    // 接收消息
    while ((received = recv(sock, buffer, BUFFSIZE, 0)) > 0) {
        buffer[received] = 0;
        printf ("Recv %s\n", buffer);
        // 发送反馈
        if (send(sock, send_s, received, 0) != received) {
            die("failed to send");
        }
        printf ("Send %s\n", send_s);
        sleep(1);
    }
    close(sock);
}

int main(void)
{
    struct sockaddr_in s_addr, c_addr;
    int s_sock, c_sock;

    if ((s_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0) {
        die("failed to create socket");
    }

    memset(&s_addr, 0, sizeof(s_addr));
    s_addr.sin_port = htons(PORTNUM);
    s_addr.sin_family = AF_INET;

    if (bind(s_sock, (struct sockaddr *)&s_addr, sizeof(s_addr)) < 0) {
        die("failed to bind");
    }

    if (listen(s_sock, CONNMAX) < 0) {
        die("failed to listen");
    }

    while (1) {
        unsigned int c_addr_len = sizeof(c_addr);
        if ((c_sock = accept(s_sock, (struct sockaddr *)&c_addr, &c_addr_len)) < 0) {
            die("failed to accept");
        }
        c_action(c_sock);
    }

    close(s_sock);
    return 0;
}
然后是客户端代码（hwclient2.c），逻辑和之前的 hwclient.c 相同，向服务端连续发送 10 条消息，接受并打印返回信息。 
#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <string.h>#include <arpa/inet.h>#define PORTNUM 6666#define BUFFSIZE 32#define die(err) { perror(err); exit(1); }int main(void){    int c_sock;    struct sockaddr_in c_addr;    char buffer[BUFFSIZE];    int msgcount, received;    if ((c_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0) {        die("failed to create socket");    }    memset(&c_addr, 0, sizeof(c_addr));    c_addr.sin_port = htons(PORTNUM);    c_addr.sin_family = AF_INET;        if (connect(c_sock, (struct sockaddr *)&c_addr, sizeof(c_addr)) < 0) {        die("failed to connect");    }    msgcount = 0;    char *send_s = "Hello";    int len_i = strlen(send_s);    while (msgcount < 10) {        received = 0;        // 发送消息        if (send(c_sock, send_s, len_i, 0) != len_i) {            die("failed to send");        }        printf("Send %s\n", send_s);        // 接收反馈        while(received < len_i){            int bytes = 0;            if ((bytes = recv(c_sock, buffer, BUFFSIZE-1, 0)) < 1) {                die("failed to recv");            }            received += bytes;            buffer[bytes] = '\0';            printf("Recv %s\n", buffer);        }        msgcount++;    }    close(c_sock);    return 0;}
接着，我们也在未启动 hwserver2 的情况下运行 hwclient2，发现程序直接报错“Connection refused”的连接错误（如图2-2），说明连接不上服务器，这显然是符合常理的。相比之下，ZeroMQ 的表现就显得比较怪异了。因为我们在未启动 hwserver 的情况下运行 hwclient，发现程序并没有报连接错误，反而是在发送过一条消息之后阻塞住了（如图2-1）；接着我们尝试启动 hwserver，发现 hwclient 又继续运行下去了，直至把 10 条消息发送完毕。

[架构] ZeroMQ 深度探索（二）
图2-2

TIP：关于 hwserver 和 hwclient 的代码请参考《ZeroMQ 深度探索（一）》

从以上现象可以看出，ZeroMQ 的 zmq_connect 方法其实只是建立了一个“虚连接”，和 Socket 的 connect 方法完全不同；实际上，从 ZeroMQ 的源码中也可以看出这点。起初我也感觉这个逻辑很奇怪，但实际上正因为有了这个特性，当我们使用 ZeroMQ 构建分布式系统的时候就不需要关心节点启动先后顺序的问题，为我们提供了不少便捷。但是，如果不善用这个特性极有可能导致严重的问题。比如，我们想使用 ZeroMQ 进行无状态模式发送，即类似于 HTTP 的“发送-接收-结束”的模式；假如在发送的过程中网络断线了，就会导致大量请求被阻塞住，严重者可导致服务器资源被耗尽！

如果要解决以上问题，一般的思路是设置超时，ZeroMQ 可以通过使用 zmq_poll 方法或者设置 ZMQ_LINGER 参数来设置请求超时，但是这也可能导致一些问题。超时时间设置太小容易丢失数据，设置太长又会影响运行效率，我们需要的是一个更可靠的网络通信方案。一种简单直接的方式就是对客户端程序进行改造，使之在不稳定的网络环境中也可以稳定运行，请参考以下代码实现。 
#include <zmq.h>#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <assert.h>int main (void){    //  Socket to talk to clients    void *context = zmq_ctx_new ();    void *responder = zmq_socket (context, ZMQ_REP);    int rc = zmq_bind (responder, "tcp://*:5555");    assert (rc == 0);    char buffer [10];    char *send_s = "World";    while (1) {        // 接收消息        zmq_recv (responder, buffer, 10, 0);        buffer[5] = 0;        printf ("Recv %s\n", buffer);        // 发送反馈        zmq_send (responder, send_s, 5, 0);        printf ("Send %s\n", send_s);        sleep(1);    }    return 0;}
首先是改造过的 ZeroMQ 的服务端代码（hwserver3.c），我们只是在原有代码（hwserver.c）上稍作修改，添加了获取到客户端请求之后返回“World”字符串的逻辑。

然后就是改造过的 ZeroMQ 的客户端代码（hwclient3.c）了，客户端的改动就大了，以下是其主要逻辑要点：
1、循环发送“Hello”字符串到服务端，然后接收返回的字符串“World”并打印出来。
2、当发现连不上服务端时，重试 3 次；如果仍然连不上，则主动结束客户端。
3、设置 ZMQ_LINGER 为 1 毫秒，表示连接不上，立即返回，不会阻塞。 
#include <zmq.h>#include <string.h>#include <stdio.h>#include <unistd.h>#define SERVER_ENDPOINT "tcp://localhost:5555"#define REQUEST_TIMEOUT 3000 // msecs, (> 1000!)#define REQUEST_RETRIES 3 // retry before we abandonvoid *zmq_socket_new (void *context){    int linger = 1;    void *zsocket = zmq_socket (context, ZMQ_REQ);    zmq_setsockopt(zsocket, ZMQ_LINGER, &linger, sizeof(linger));    zmq_connect (zsocket, SERVER_ENDPOINT);    return zsocket;}int main (void){    void *context = zmq_ctx_new ();    void *zsocket = zmq_socket_new(context);    char buffer [255];    char *send_s = "Hello";    int retries_left = REQUEST_RETRIES;    while (retries_left) {        // 发送消息        zmq_send (zsocket, send_s, strlen(send_s), 0);        printf ("Send %s\n", send_s);        // 重试次数        int expect_reply = 1;        while (expect_reply) {            // 停止重试            if (retries_left == 0) {                printf("Server offline, abandoning ...\n");                break;            }            // 多路复用            zmq_pollitem_t items [] = { { zsocket, 0, ZMQ_POLLIN, 0 } };            int rc = zmq_poll (items, 1, REQUEST_TIMEOUT);            if (rc == -1) break; // Interrupted            if (items [0].revents & ZMQ_POLLIN) {                // 接收反馈                int size = zmq_recv (zsocket, buffer, 10, 0);                if (size > 255) size = 255;                buffer[size] = 0;                printf ("Recv %s\n", buffer);                if (buffer) {                    retries_left = REQUEST_RETRIES;                    expect_reply = 0;                }            }            // 重试连接            else {                printf("Retry connecting ...\n");                zmq_close (zsocket);                zsocket = zmq_socket_new(context);                // 重发消息                zmq_send (zsocket, send_s, strlen(send_s), 0);                printf ("Send %s\n", send_s);                --retries_left;            }        }    }    zmq_close (zsocket);    zmq_ctx_destroy (context);    return 0;}
我们可以进行如下尝试，先启动服务端程序（hwserver3），然后再启动客户端程序（hwclient3），就可以看到客户端和服务端正在通信，客户端发送“Hello”，服务端反馈“World”，一切正常。接着我们停止服务端程序，我们马上发现客户端开始尝试重连（提示“Retry connecting ...”）；接着我们马上重新打开服务端，就会发现客户端和服务端又恢复通信了；然后我们把服务端程序再次停止，我们看到客户端尝试重连 3 次之后，最终停止了（提示“Server offline, abandoning ...”），如图2-3所示。

[架构] ZeroMQ 深度探索（二）
图2-3

以上的设计模式被我们称之为“客户端信任”的模式，通过这种设计，我们建立了一个可控的、相对稳定的 C/S 通信模型。当然，从以上代码中我们也可以看到 ZeroMQ 中多路复用的用法，也就是 int zmq_poll (zmq_pollitem_t *items, int nitems, long timeout); 方法的使用，三个参数分别是 poll 项列表、poll 项个数以及 poll 超时时间（毫秒），其中 zmq_pollitem_t 的结构如下：

typedef struct
{
    void //*socket//;
    int //fd//;
    short //events//;
    short //revents//;
} zmq_pollitem_t;

此外，ZeroMQ 支持多种多路复用模式（参考源码 poller.hpp），列举如下：

1、select（支持unix/windows）
2、poll（支持unix）
3、epoll（支持linux）
4、kqueue（支持freebsd）
5、devpoll（zmq自研的poll）

其中，Linux 下默认使用的是 epoll 方式；当然，在编译的时候也可以通过 --with-poller 参数来配置所需的多路复用模式。话说回来，ZeroMQ 的网络通信模型和 Socket 还是有很多不同的，使用的时候一定要特别注意。在下篇中我们将介绍 ZeroMQ 消息的包装方式，进一步理解 ZeroMQ 网络通信的细节，学习其构建分布式系统的理念。
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