基于ACE框架的高效网络通信的研究

网络通讯及安全本栏目责任编辑：冯蕾Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术第5卷第16期(2009年6月)基于ACE 框架的高效网络通信的研究

刘卫涛1，李涛2

（1.广西师范大学计算机科学与信息工程学院，广西桂林541004；2.郑州旅游职业学院旅游商贸系，河南郑州450009）

摘要：由于操作系统及通信平台的多样性，通信软件开发者往往要面对诸多问题，而ACE 的框架和设计模式可以帮助我们消除复杂性。该文介绍了利用ACE 实现通信软件的设计机制和优越性，概述了ACE 的反应器、事件处理器、接受器、连接器等框架，并且通过创建服务端和客户端的实例来进一步说明ACE 的灵活性和方便性。

关键词：ACE ；网络通信；框架；反应器；事件多路分离

中图分类号：TP393文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2009)16-4137-03

Research of Effective Network Communication Based on ACE Framework

LIU Wei-tao 1,LI Tao 2

(1.College of Computer Science and Information Engineering,Guangxi Normal University,Guilin 541004,China;2.Dept.of Tourism and Business,Zhengzhou Tourism College,Zhengzhou 450009,China)

Abstract:Due to diversity of operating system and communication platform,developers of communication software have to face many problems.But we may eliminate the complexity by using framework and design pattern of ACE.This paper introduces the advantages of ACE framework in communication software design and summarizes some frameworks such as reactor,event handler,acceptor,connector.Finally,this paper illustrates the flexibility and convenience of ACE by building server and client.

Key words:ACE;network communication;framework;reactor;event demultiplexing

1引言

尽管计算机网络领域发展迅速，编写通信软件已经变得更为困难。大量消耗在开发通信软件上的努力不过是“重新发明轮子”的变种，已知的可以在应用间通用的组件被重写，而不是被复用。通过收集通用的组件和体系结构，ACE(Adaptive Communication Environment,自适配通信环境)为这一问题提供了解决方案。应用开发者可以采用ACE ，挑选在他的应用中所需的组件，并开始在ACE 工具箱的陪伴下构建应用。除了在C++包装层中收集简单的“积木”，ACE 还包括了大的体系结构“积木”，它们采用了已被证明在软件开发领域中行之有效的模式和软件体系结构[1]。

此外由于平台系统的多样性和异构性，不同平台上具有不同的API 和语义组件，操作系统(OS)本身的进程间通信机制和并发机制具有局限性等，使得在多个OS 上开发和移植网络应用程序时，将面临错综复杂的挑战。同时OS 本身具有以C 语言写成的API ，它们缺乏安全性、可移植性、可重入性和可扩充性，如果直接针对较低级的操作系统API 编程，将导致编写出的网络应用程序非常容易出错和难以维护。ACE 很好地解决了这一问题。

2ACE 框架概述

ACE 是可自由使用、开放源码的面向对象的框架集中间件，它实现了许多用于并发通信软件的核心模式。ACE 提供了一组丰富的可重用C++包装外观和框架组件，可跨多种平台完成通用的软件通信任务，其中包括：事件多路分离和事件处理器分派、信号处理、服务初始化、进程间通信、共享内存管理、消息路由、分布式服务动态配置、并发执行和同步等。

ACE 体系包括三个层次结构[2]：1)OS 适配层：属于低层，对OS 并发机制和进程间通信机制进行封装，对不同系统间的通信API 进行封装，对外提供统一的接口，消除了系统间的差异。2)C++包装层：属于中间层，应用C++的面向对象特性和模板实现内存管理，多线程及多进程管理，消息队列机制，动态服务配置，定时器队列等。在具体应用中可通过组合和聚合，选择和包装这些类完成具体的实现。3)框架组件层：属于高层，集成并增强了较低层次的C++包装层，包括前摄器、反应器、任务、连接器、接受器、事件处理器、服务配置器、消息队列等框架，消除了通信编程的复杂性，大大缩短应用程序的开发周期。

2.1反应器ACE_Reactor

ACE_Reactor 提供多路分离和分派框架，它简化了事件驱动应用的开发[3]。

统一的多路分离和分派接口：使用ACE_Reactor 的应用并不直接访问诸如select 或WaitForMultipleObjects 这样的低级事件多路分离系统调用，而是通过从ACE_Event_Handler 基类继承来创建具体的事件处理器。该类指定处理多种类型事件的虚方法，比如I/O 事件、定时器事件、信号和同步事件。应用创建具体事件处理器，并将它们登记到ACE_Reactor 。

事件处理器分派自动化：当ACE_Reactor 管理的处理器上有活动发生时，反应器自动调用适当的预登记的具体事件处理器的虚方法。C++对象被登记到ACE_Reactor ，允许在对具体事件处理器的挂钩方法的调用之间，状态可以方便地保持。这种编程风格对于开发在多次客户调用间保持状态的事件处理器来说很有用。

2.2事件处理器ACE_Event_Handler

ACE_Event_Handler 类拥有若干不同的“handle ”（处理）方法，每个处理方法被用于处理不同种类的事件。当应用对特定事件感兴趣时，就对ACE_Event_Handler 类进行子类化，并实现感兴趣的处理方法，随后就在反应器上为特定事件“登记”事件处理器对象。收稿日期：2009-03-10

ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology

电脑知识与技术Vol.5,No.16,June 2009,pp.4137-4139E-mail:info@https://www.360docs.net/doc/4d3701819.html, https://www.360docs.net/doc/4d3701819.html, Tel:+86-551-569096356909644137

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于是反应器就会在此事件发生时，自动回调在适当的事件处理器

对象中适当的“handle”方法。在表1中显示了在

ACE_Event_Handler的子类中可以重载哪些方法，以处理不同的

事件类型。

使用ACE_Event_Handler基本上有三个步骤：1)创建

ACE_Event_Handler的子类，并在其中实现适当的“handle”方法，

以处理你想要此事件处理器为之服务的事件类型。（可使用同一

个事件处理器对象处理多种类型的事件，因而可以重载多于一个的“handle”方法。）2)通过调用反应器对象的register_handler()，将事件处理器对象登记到反应器。3)在事件发生时，反应器将自动回调相应的事件处理器对象的适当的“handle”方法。

2.3接受器ACE_Acceptor与连接器ACE_Connector

接受器－连接器设计模式（Acceptor-Connector）使分布式系统中的连接建立及服务初始化与一旦服务初始化后所执行的处理去耦合[4]。这样的去耦合通过三种组件来完成：acceptor、connector和service_handler（服务处理器）。连接器主动地建立到远地接受器组件的连接，并初始化服务处理器来处理在连接上交换的数据。同样地，接受器被动地等待来自远地连接器的连接请求，在这样的请求到达时建立连接，并初始化服务处理器来处理在连接上交换的数据。随后已初始化的服务处理器执行应用特有的处理，并通过连接器和接受器组件建立的连接来进行通信。

3构建服务端和客户端

本节将介绍如何使用ACE_Acceptor、ACE_Connector分别与ACE_Reactor、ACE_Svc_Handler(继承并扩展了事件处理器)构建网络通信的服务端和客户端。

3.1Acceptor组件协作构建服务端

图1演示Acceptor与Reactor、Svc_Handler之间的协作。这些协作被划分为三个阶段：

1)端点初始化阶段：为被动地初始化连接，应用调用Acceptor的open方法。该方法创建被动模式的传输端点，将其绑定到网络地址，例如，本地主机的IP地址和TCP端口号，并随后侦听来自对端Connector的连接请求。其次，open方法将Acceptor对象登记到Reactor，以使反应器能够在连接事件到达时回调Acceptor。最后，应用发起Reactor的事件循环，等待连接请求从对端Connector到来。

2)服务初始化阶段：当连接请求到达时，Reactor回调Acceptor的accept方法。该方法装配以下活动所必需的资源：①创建新的Svc_Handler对象，②将连接接受进该处理器对象的底层通信流，③通过调用Svc_Handler的open方法将其启用。Svc_Handler的open方法可以执行服务特有的初始化，比如分配锁、派生线程等，或将自身登记到Reactor。

3)服务处理阶段：在连接被动地建立和Svc_Handler被初始化后，服务处理阶段开始了。在此阶段，在本地Svc_Handler和与其相连的远地Peer之间，经由前者的peer_stream_端点交换数据。当交换完成，可关闭连接和Svc_Handler，并释放资源。

图1Acceptor参与者之间的协作图2Connector参与者之间的协作

3.2Connector组件协作构建客户端

图2演示Connector与Reactor、Svc_Handler之间的协作。这些协作被划分为三个阶段：

1)连接发起阶段：为在Svc_Handler和它的远地Peer之间发起连接，应用调用Connector的connect方法。该方法阻塞线程直到连接同步完成，以主动地建立连接。

2)服务初始化阶段：在连接完成后，Connector的connect方法调用complete方法来启用Svc_Handler。complete方法通过调用Svc_Handler的open方法来完成启用，open方法执行服务特有的初始化。

3)服务处理阶段：此阶段与Svc_Handler被Acceptor创建后所执行的服务处理阶段相类似。特别地，一旦Svc_Handler被启用，它使用与远地服务端Svc_Handler交换的数据来执行应用特有的服务处理。

3.3通信实例

一般而言，在客户/服务器应用中，服务器含有接受器，客户含有连接器。但是在特定的应用中，可能需要同时使用接受器和连接器。下面给出这样的应用的一个例子：反复发送一条消息给对端机器，与此同时也从对端接受另一消息。因为两种功能必须同时执行，简单的解决方案就是分别在不同的线程里发送和接收消息。这个例子同时包含接受器和连接器，用户可以在命令行上给出参数，告诉应用想要扮演服务器还是客户角色。随后应用就相应地调用server()或client()来启动服务器或客户。示例代码如下：typedef ACE_SingletonReactor;

typedef ACE_AcceptorAcceptor;

typedef ACE_ConnectorConnector;

class MyServiceHandler://创建服务处理器的子类

表1ACE_Event_Handler中的处理方法及其对应事件4138

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第5卷第16期(2009年6月)public ACE_Svc_Handler{public:ACE_thread_t t_id;int open(void*)//服务初始化

{cout<<”Acceptor received new connection ”<register_handler(this,ACE_Event_Handler::READ_MASK);//注册读事件

ACE_Thread::spawn((ACE_THR_FUNC)send_data,0,THR_NEW_LWP,&t_id);//创建线程

return 0;}void*send_data(void*)//新线程入口函数

{while(1){cout<<”<

ACE_OS::sleep(1);}return 0;}int handle_input(ACE_HANDLE)//处理I/O 输入

{char*data=new char[12];if(peer().recv_n(data,12)==0)//底层流接收数据

{cout<<”Peer probably aborted connection ”<

return -1;}cout<<”>>”<

{ACE_INET_Addr addr(PORT);//PORT 为实际的端口号

Acceptor my_acceptor(addr,Reactor::instance());//启动侦听

while(1)Reactor::instance()->handle_events();//事件循环处理

}void client()//启动客户端

{ACE_INET_Addr addr(PORT,HOSTNAME);//HOSTNAME 为实际的主机名

Connector my_connector;MyServiceHandler *sh=new MyServiceHandler;my_connector.connect(sh,addr);//主动连接

while(1)Reactor::instance()->handle_events();//事件循环处理

}int main(int argc,char*argv[]){if(argv[1]==”server ”)server();if(argv[1]==”client ”)client();return 0;}

4结束语

网络编程可以使用socket ，也可以使用某个轻量级的socket 封装，它们都可以完成开发者的任务。但是，当应用极其复杂且需要极度的灵活性来应对今后的扩展，当应用需要跨越多个平台，当应用需要高度的可靠性来保证，那么ACE 会是一个很好的选择。ACE 帮助开发者处理底层socket 细节，统一不同平台之间的差异，以一致的接口提供网络通讯模式。

参考文献：

[1]Stephen D Huston,James CE Johnson,Umar Syyid.ACE 程序员指南:网络与系统编程的实用设计模式[M].北京:中国电力出版社,

2004.

[2]Schmidt D C.ACE 自适配通信环境技术论文集[C].北京:电子工业出版社,2001.

[3]Douglas C.Schmidt,Stephen D.Huston.C++网络编程(卷1):运用ACE 和模式消除复杂性[M].武汉:华中科技大学出版社,2003.

[4]Douglas C.Schmidt,Stephen D.Huston.C++网络编程(卷2):基于ACE 和框架的系统化复用[M].北京:电子工业出版社,2004.刘卫涛（1983-），男，湖北黄石人，广西师范大学计算机科学与信息工程学院硕士研究生，研究方向：计算机软件与理论；

李涛（1982-），女，河南新乡人，郑州旅游职业学院旅游商贸系，助教。

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