消息队列NetMQ 原理分析5-StreamEngine、Encord和Decord

[TOC]

前言

介绍

[NetMQ](https://github.com/zeromq/netmq.git)是ZeroMQ的C#移植版本,它是对标准socket接口的扩展。它提供了一种异步消息队列,多消息模式,消息过滤（订阅）,对多种传输协议的无缝访问。
当前有2个版本正在维护，版本3最新版为3.3.4，版本4最新版本为4.0.1。本文档是对4.0.1分支代码进行分析。

zeromq的英文文档
NetMQ的英文文档

目的

对NetMQ的源码进行学习并分析理解,因此写下该系列文章,本系列文章暂定编写计划如下：

  1. 消息队列NetMQ 原理分析1-Context和ZObject
  2. 消息队列NetMQ 原理分析2-IO线程和完成端口
  3. 消息队列NetMQ 原理分析3-命令产生/处理、创建Socket和回收线程
  4. 消息队列NetMQ 原理分析4-Socket、Session、Option和Pipe
  5. 消息队列NetMQ 原理分析5-StreamEngine,Encord和Decord
  6. 消息队列NetMQ 原理分析6-TCP和Inpoc实现
  7. 消息队列NetMQ 原理分析7-Device
  8. 消息队列NetMQ 原理分析8-不同类型的Socket
  9. 消息队列NetMQ 原理分析9-实战

友情提示: 看本系列文章时最好获取源码,更有助于理解。

StreamEngine

SocketBase将Msg发送给SessionBase之后需要将Msg转化为byte[]进行传输,Engine就是做转换的工作,转换完成之后就会和实际的底层Socket进行消息传输。

NetMQ在Tcp协议消息转换使用的是StreamEngine。

internal sealed class StreamEngine : IEngine, IProactorEvents, IMsgSink
{
 
}

上一章介绍到管道事件。

发送数据

当出管道有数据可读时，会调用SessionBase的ReadActivated事件

public void ReadActivated(Pipe pipe)
{
    ...
    if (m_engine != null)
        m_engine.ActivateOut();
    else
        m_pipe.CheckRead();
}

然后会调用对应m_engine的ActivateOut事件

public void ActivateOut()
{
    FeedAction(Action.ActivateOut, SocketError.Success, 0);
}
 
public void FeedAction(){
    ...
    case State.Active:
        switch (action)
        {
            case Action.OutCompleted:
                int bytesSent = EndWrite(socketError, bytesTransferred);
 
                // IO error has occurred. We stop waiting for output events.
                // The engine is not terminated until we detect input error;
                // this is necessary to prevent losing incoming messages.
                if (bytesSent == -1)
                {
                    m_sendingState = SendState.Error;
                }
                else
                {
                    m_outpos.AdvanceOffset(bytesSent);
                    m_outsize -= bytesSent;
 
                    BeginSending();
                }
                break;
            ...
        }
    ...
}

当TCPConnect客户端发送请求完成时，会调用OutCompleted事件

private void Loop()
{
    ...
    switch (completion.OperationType)
    {
        ...
        case OperationType.Connect:
        case OperationType.Disconnect:
        case OperationType.Send:
        item.ProactorEvents.OutCompleted(
            completion.SocketError,
            completion.BytesTransferred);
            }
    }
    ...
public void OutCompleted(SocketError socketError, int bytesTransferred)
{
    ...
    // Create the engine object for this connection.
    var engine = new StreamEngine(m_s, m_options, m_endpoint);
    ...
    // Attach the engine to the corresponding session object.
    SendAttach(m_session, engine);
    ...
    }

此时会创建一个StreamEngine和请求的SessionBase对象进行关联。

protected override void ProcessAttach(IEngine engine)
{
    Debug.Assert(engine != null);
 
    // Create the pipe if it does not exist yet.
    if (m_pipe == null && !IsTerminating)
    {
        ZObject[] parents = { this, m_socket };
        int[] highWaterMarks = { m_options.ReceiveHighWatermark, m_options.SendHighWatermark };
        int[] lowWaterMarks = { m_options.ReceiveLowWatermark, m_options.SendLowWatermark };
        bool[] delays = { m_options.DelayOnClose, m_options.DelayOnDisconnect };
        Pipe[] pipes = Pipe.PipePair(parents, highWaterMarks, lowWaterMarks, delays);
 
        // Plug the local end of the pipe.
        pipes[0].SetEventSink(this);
 
        // Remember the local end of the pipe.
        Debug.Assert(m_pipe == null);
        m_pipe = pipes[0];
 
        // Ask socket to plug into the remote end of the pipe.
        SendBind(m_socket, pipes[1]);
    }
 
    // Plug in the engine.
    Debug.Assert(m_engine == null);
    m_engine = engine;
    m_engine.Plug(m_ioThread, this);
}

接收数据

当完成端口通知数据接收完成时，会调用Proactor的InCompleted事件，实际就是调用的对应的StreamEngine的InCompleted事件

public void InCompleted(SocketError socketError, int bytesTransferred)
{
    FeedAction(Action.InCompleted, socketError, bytesTransferred);
}
public void FeedAction(){
    ...
    case State.Active:
        switch (action)
        {
            case Action.InCompleted:
                m_insize = EndRead(socketError, bytesTransferred);
 
                ProcessInput();
                break;
            ...
        }
    ...
}

接收完成后会对接收到的数据进行处理

private void ProcessInput()
{
    ...
    if (m_options.RawSocket)
    {
        if (m_insize == 0 || !m_decoder.MessageReadySize(m_insize))
        {
            processed = 0;
        }
        else
        {
            processed = m_decoder.ProcessBuffer(m_inpos, m_insize);
        }
    }
    else
    {
        // Push the data to the decoder.
        processed = m_decoder.ProcessBuffer(m_inpos, m_insize);
    }
    ...
    // Flush all messages the decoder may have produced.
    m_session.Flush();
    ...
}
public override bool MessageReadySize(int msgSize)
{
    m_inProgress = new Msg();
    m_inProgress.InitPool(msgSize);
 
    NextStep(new ByteArraySegment(m_inProgress.Data, m_inProgress.Offset),
        m_inProgress.Size, RawMessageReadyState);
 
    return true;
}

读取数据到Msg后会调用Decoder的ProcessBuffer方法

PS:由于NetMQ有自己的传输协议格式，因此当使用NetMQ和其他程序进行Socket传输时，必须使用StreamSocket。

 
public int ProcessBuffer(ByteArraySegment data, int size)
{
    ...
    while (m_toRead == 0)
    {
        if (!Next())
        {
            if (State < 0)
            {
                return -1;
            }
            return size;
        }
    }
    return size;
    ...
}
protected override bool Next()
{
    if (State == RawMessageReadyState)
    {
        return RawMessageReady();
    }
 
    return false;
}
private bool RawMessageReady()
{
    ...
    bool isMessagedPushed = m_msgSink.PushMsg(ref m_inProgress);
 
    if (isMessagedPushed)
    {
        // NOTE: This is just to break out of process_buffer
        // raw_message_ready should never get called in state machine w/o
        // message_ready_size from stream_engine.
        NextStep(new ByteArraySegment(m_inProgress.Data, m_inProgress.Offset),
            1, RawMessageReadyState);
    }
    return isMessagedPushed;
    ...
}

对读到的数据进行处理调用RawDecoder的Next的方法,将获取到的Msg放入到SeesionBase的管道中。

流程分析

读写数据流程图如下图所示：
2017731191255-StreamEngine
我们使用WireShark进行验证。

我们监听15557地址，然后创建一个客户端连接15557地址
2017731192245-1
前面3条是三次握手。第四条是客户端向服务器发送了10字节长度的请求头部，以0xff开头，0x7f结尾。中间是8字节是Identitysize长度

...
switch (m_handshakeState)
{
    case HandshakeState.Closed:
        switch (action)
        {
            case Action.Start:
                // Send the 'length' and 'flags' fields of the identity message.
                // The 'length' field is encoded in the long format.
                m_greetingOutputBuffer[m_outsize++] = 0xff;
                m_greetingOutputBuffer.PutLong(m_options.Endian, (long)m_options.IdentitySize + 1, 1);
                m_outsize += 8;
                m_greetingOutputBuffer[m_outsize++] = 0x7f;
                ...
        }
        ...
}
...


第6条是服务器向客户端发送的10字节长度的请求头部，以0xff开头，0x7f结尾。中间是8字节是identitysize的信息
I
第8条是服务器向客户端发送的版本号和Socket类型,01表示版本号1，06表示当前是RouterSocket

...
case HandshakeState.ReceivingGreeting:
    switch (action)
    {
        case Action.InCompleted:
        ...
        
                if (m_greeting[0] != 0xff || (m_greetingBytesRead == 10 && (m_greeting[9] & 0x01) == 0)){
                ...
                }
                else if (m_greetingBytesRead < 10)
                {
                    var greetingSegment = new ByteArraySegment(m_greeting, m_greetingBytesRead);
                    BeginRead(greetingSegment, PreambleSize - m_greetingBytesRead);
                }
                else
                {
                    ...
                    m_outpos[m_outsize++] = 1; // Protocol version
                    m_outpos[m_outsize++] = (byte)m_options.SocketType;
                    ...
                }
        ...
    }
...


第10条是客户端向服务器发送的版本号和socket类型,05表示当前是DealSocket

...
case HandshakeState.ReceivingRestOfGreeting:
    switch (action)
    {
        case Action.InCompleted:
        ...
        if (m_greeting[VersionPos] == 0)
        {
            // ZMTP/1.0 framing.
            m_encoder = new V1Encoder(Config.OutBatchSize, m_options.Endian);
            m_encoder.SetMsgSource(m_session);
 
            m_decoder = new V1Decoder(Config.InBatchSize, m_options.MaxMessageSize, m_options.Endian);
            m_decoder.SetMsgSink(m_session);
        }
        else
        {
            // v1 framing protocol.
            m_encoder = new V2Encoder(Config.OutBatchSize, m_session, m_options.Endian);
            m_decoder = new V2Decoder(Config.InBatchSize, m_options.MaxMessageSize, m_session, m_options.Endian);
        }
        Activate();
        ...
    }
...

Encoder

###V2Encoder
接下来就是数据传输。

public V2Encoder(int bufferSize, IMsgSource session, Endianness endian)
    : base(bufferSize, endian)
{
    m_inProgress = new Msg();
    m_inProgress.InitEmpty();
 
    m_msgSource = session;
 
    // Write 0 bytes to the batch and go to message_ready state.
    NextStep(m_tmpbuf, 0, MessageReadyState, true);
}

由于NetMQ使用的是版本1，用的是V2Encoder和V2Decoder进行编码和解码。
在初始化Encoder的时候会向报文写入2个0字节数据，暂时不明白为何要这样做。

 
int protocolFlags = 0;
if (m_inProgress.HasMore)
    protocolFlags |= V2Protocol.MoreFlag;
if (m_inProgress.Size > 255)
    protocolFlags |= V2Protocol.LargeFlag;
m_tmpbuf[0] = (byte)protocolFlags;
 
// Encode the message length. For messages less then 256 bytes,
// the length is encoded as 8-bit unsigned integer. For larger
// messages, 64-bit unsigned integer in network byte order is used.
int size = m_inProgress.Size;
if (size > 255)
{
    m_tmpbuf.PutLong(Endian, size, 1);
    NextStep(m_tmpbuf, 9, SizeReadyState, false);
}
else
{
    m_tmpbuf[1] = (byte)(size);
    NextStep(m_tmpbuf, 2, SizeReadyState, false);
}

第一个字节是Flags用于标记该报文是否为大报文，超过过255个字节就会标记为大包标记，是否还有更多报文。若报文长度小于256，则第二个字节用于存储报文长度。但是若是大报文，则会8个字节保存报文长度。
下面就开始发送数据
我们用客户端发一个字符串test1，然后服务端原样返回该字符串

可以看到如我们上面分析的一样，第一个字节为0，第二个字节为大小test1为5个字节长度。由于CMD命令单行输入最长字符限制长度为255，因此我们没办法在CMD命令下输入更长数据进行测试。暂时就不做验证。

###V1Encoder
V1Encoder编码如下所示

if (size < 255)
{
    m_tmpbuf[0] = (byte)size;
    m_tmpbuf[1] = (byte)(m_inProgress.Flags & MsgFlags.More);
    NextStep(m_tmpbuf, 2, SizeReadyState, false);
}
else
{
    m_tmpbuf[0] = 0xff;
    m_tmpbuf.PutLong(Endian, size, 1);
    m_tmpbuf[9] = (byte)(m_inProgress.Flags & MsgFlags.More);
    NextStep(m_tmpbuf, 10, SizeReadyState, false);
}

当小于255字符，首字符是长度，第二个字符是Flags，超过255字符，首字符为0xff,然后跟着8个字符长度的长度值，接下来是Flags
###RawEncoder
使用RawEncoder会将原始数据原样发送不会增加任何其他字符。

Decoder

###V2Decoder
接收到数据会先接收第一个字节Flags判断是否有后续包以及是小包还是打包，若是小包，则解析第一个字节长度位，否则读取8个字节长度位。
###V1Decoder
接收到数据收先会判断第一个字节是不是Oxff，若为Oxff则表示为打包，获取8位字节长度，否则获取1位字节长度处理。
###RawDecoder
使用RawDecoder会读取数据保存到管道中。

总结

本片介绍了NetMQ的报文格式并阐述了底层Msg如何转换为流进行发送和接收。

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作者博客：杰哥很忙
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