zeromq源碼分析筆記之架構（1）

一、zmq概述

ZeroMQ是一種基於消息隊列的多線程網絡庫，其對套接字類型、鏈接處理、幀、甚至路由的底層細節進行抽象，提供跨越多種傳輸協議的套接字。引用雲風的話來講: ZeroMQ 並非一個對 socket 的封裝，不能用它去實現已有的網絡協議。它有本身的模式，不一樣於更底層的點對點通信模式。它有比 tcp 協議更高一級的協議。（固然 ZeroMQ 不必定基於 TCP 協議，它也能夠用於進程間和進程內通信）它改變了通信都基於一對一的鏈接這個假設。 ZeroMQ 把通信的需求當作四類。其中一類是一對一結對通信，用來支持傳統的 TCP socket 模型，但並不推薦使用。經常使用的通信模式只有三類：

1. 請求迴應模型。由請求端發起請求，並等待迴應端迴應請求。從請求端來看，必定是一對對收發配對的；反之，在迴應端必定是發收對。請求端和迴應端均可以是 1:N 的模型。一般把 1 認爲是 server ，N 認爲是 Client 。ZeroMQ 能夠很好的支持路由功能（實現路由功能的組件叫做 Device），把 1:N 擴展爲 N:M （只須要加入若干路由節點）。從這個模型看，更底層的端點地址是對上層隱藏的。每一個請求都隱含有迴應地址，而應用則不關心它。
2. 發佈訂閱模型。這個模型裏，發佈端是單向只發送數據的，且不關心是否把所有的信息都發送給訂閱端。若是發佈端開始發佈信息的時候，訂閱端還沒有鏈接上來，這些信息直接丟棄。不過一旦訂閱端鏈接上來，中間會保證沒有信息丟失。一樣，訂閱端則只負責接收，而不能反饋。若是發佈端和訂閱端須要交互（好比要確認訂閱者是否已經鏈接上），則使用額外的 socket 採用請求迴應模型知足這個需求。
3. 管道模型。這個模型裏，管道是單向的，從 PUSH 端單向的向 PULL 端單向的推送數據流。

更多關於zeromq的解釋，以及zeromq的功能請參考下面幾個連接

ØMQ(ZeroMQ)簡介 ，ØMQ - The Guide ，ZeroMQ 的模式

二、zmq架構

2.一、zmq總體架構

zeromq幾乎全部I/O操做都是異步的，每一個zmq i/o 線程（與實際線程不一樣）都有與之綁定的Poller，Poller採用經典的Reactor模式實現，Poller根據不一樣操做系統平臺使用不一樣的網絡I/O模型（select、poll、epoll、devpoll、kequeue等）。在zeromq中，zmq_socket也被當作是一個zmq io線程。每一個線程內含一個信箱，用於線程與線程間傳遞命令（後面會詳細講），在建立zmq io線程時，會把信箱句柄加到Poller中，用於監聽是否有命令到達。當client端開始發起鏈接或者server端開始監聽時，會在主線程建立zmq_connector或者zmq_listener，主線程使用zmq_socket的mailbox發送命令給io線程，將其綁定到io線程中，io線程會把zmq_connector或者zmq_listener含有的句柄加入Poller中，以偵聽讀寫事件。Client端與Server端都是經過Session來管理鏈接和通訊，一個session表明一次會話，每一個Session都會關聯到相應的讀/寫管道， 主線程收發消息只是分別從管道中讀/寫數據。Session並不實際跟kernel交換I/O數據，而是經過plugin到Session中的Engine來與kernel交換I/O數據。

2.2zmq內部架構

zmq的內部架構涉及到zmq全局變量的管理，併發模型，線程模型（主線程，i/o線程，回收線程，zmq_socket線程，存活於線程中的對象），對象回收模型（對象樹），消息的組織等，要想比較順手的讀懂源碼，仍是須要先了解一下這些結構，在zmq的官方站點已經給出來了詳細的講解，也有前輩進行了翻譯：

Internal Architecture of libzmq，ZeroMQ的內部架構

http://www.aosabook.org/en/zeromq.html，<摘錄>開源軟件架構-ZeroMQ

三、zmq基本流程

下面這幅zmq的基本流程圖有助於總體把握zmq的流程，這幅圖是由前輩總結的，來源於ZeroMQ研究與應用分析，（不知道是不是原創，有不少同樣的博文，分不清原創是誰），不過新版的zmq已經不建議使用zmq_init初始化上下文語境了，新版建議使用zmq_new來建立上下文，關於新版zmq的一個詳細流程在第4節會給出。

四、zmq對象交互

序列圖有助於理解對象狀態變遷，下圖描述的是客戶端的對象狀態變遷。zmq_socket以ZMQ_REQ模式實例化，用以進行tcp通訊：

void *requester = zmq_socket (context, ZMQ_REQ);
zmq_connect (requester, "tcp://localhost:5555");

四、zmq類層次

①、object_t，主要用於發送命令和處理命令，全部繼承object_t的子類都具有該類的功能

②、io_thread_t，內含一個poller，可監聽句柄的讀、寫、異常狀態，繼承自object_t，具備接收命令、處理命令、發送命令的功能

③、io_object_t，能夠獲取一個io_thread_t的poller，從而具有poller功能，全部繼承自該類的子類都具備pollere功能，可監聽句柄的讀、寫、異常狀態

④、reaper_t，zmq的回收線程

⑤、own_t，zmq的對象樹結點，或者說多叉樹的結點，其主要用於對象的銷燬，能夠想到，對象的銷燬就是這棵樹的銷燬過程，必需要使用深度優先的算法來銷燬。關於zmq對象樹在Internal Architecture of libzmq有詳細講解

⑥、tcp_connector_t，zmq_socket的鏈接器，使用她來創建tcp鏈接

⑦、tcp_listener_t，zmq_socket的監聽器

⑧、stream_engine，負責處理io事件中的一種----網絡事件，把網絡字節流轉換成zeromq的msg_t消息傳遞給session_base_t。另一些和版本兼容相關的雜務也stream_engine處理的。stream_engine_t處理完雜務，到session_base_t就只看見msg_t了。

⑨、session_base_t，管理zmq_socket的鏈接和通訊，主要與engine進行交換

⑩、socket_base_t，zeromq的socket，在zmq中，被當成一種特殊的」線程「，具備收發命令的功能

 

參考資料

ØMQ(ZeroMQ)簡介 

ØMQ - The Guide 

ZeroMQ 的模式

Internal Architecture of libzmq

ZeroMQ的內部架構

http://www.aosabook.org/en/zeromq.html

<摘錄>開源軟件架構-ZeroMQ

libzmq master