ZeroMQ:23---模式之（獨家對模式：ZMQ_PAIR）

一、ØMQ模式總覽

• ØMQ支持多種模式，具體可以參閱：https://blog.csdn.net/qq_41453285/article/details/106865539
• 本文介紹ØMQ的獨家對模式

二、獨家對模式

• 在前面的文章中我們介紹過如何編寫ØMQ多線程程序：https://blog.csdn.net/qq_41453285/article/details/106882216
• 獨家對模式（Exclusive pair）用於將一個對等點精確地連接到另一個對等點。此模式用於跨inproc傳輸的線程間通信
• 互斥對模式由http://rfc.zeromq.org/spec:31正式定義
• “獨家對模式”支持的套接字類型只有1種：
  • ZMQ_PAIR

三、“PAIR”套接字類型

• ZMQ_PAIR類型的套接字只能一次連接到單個對等方。對通過ZMQ_PAIR套接字發送的消息不執行消息路由或篩選
• 當ZMQ_PAIR套接字由於已達到連接對等方的高水位線而進入靜音狀態時，或者如果沒有連接任何對等方，則套接字上的任何zmq_send()操作都應阻塞，直到對等方可用於發送；消息不會被丟棄
• 適用協議：
  • ZMQ_PAIR套接字設計用於通過nproc傳輸進行線程間通信，並且不實現自動重新連接等功能
  • 儘管ZMQ_PAIR套接字可用於inproc以外的其他傳輸協議，但是它們無法自動重新連接，並且當以前存在任何連接(包括關閉狀態的連接)時，新的傳入連接將被終止，這使得它們在大多數情況下不適合TCP

ZMQ_PAIR特性摘要
兼容的對等套接字	ZMQ_PAIR
方向	雙向
發送/接收模式	無限制
入網路由策略	不適用（N/A）
外發路由策略	不適用（N/A）
靜音狀態下的操作	阻塞

四、PAIR套接字應用場景：協調線程

• 在編寫多線程應用程序時，會遇到如何“協調線程”的問題，例如一個線程狀態發生改變時同時另一個線程：
  • 如果使用以往的多線程程序，你可能會使用信號量或互斥等技術
  • 但是在ØMQ中，你可以使用ZMQ_PAIR套接字來進行線程間的通信

編程實例

• 下面創建三個PAIR套接字：
  • PAIR3：主線程中的PAIR套接字，等待PAIR2發來通知消息
  • PAIR2：在主線程中調用pthread_create()創建線程，在線程的回調函數中創建PAIR2套接字，該套接字等待PAIR1發來通知消息
  • PAIR1：PAIR2所在的線程再調用一次pthread_create()，在線程的回調函數中創建PAIR1套接字，PAIR1會向PAIR2發送消息
• 整體的流程就是：PAIR1發送消息給PAIR2，PAIR2接收到PAIR1的消息之後再發送消息給PAIR3，PAIR3接收到PAIR2的消息之後退出程序

• 代碼如下：

// mtrelay.c
// 源碼鏈接: https://github.com/dongyusheng/csdn-code/blob/master/ZeroMQ/mtrelay.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <zmq.h>

// PAIR2套接字執行函數, 參數爲主進程的上下文對象指針
static void *step2(void *arg);

// PAIR1套接字執行函數, 參數爲主進程的上下文對象指針
static void *step1(void *arg);

// 從socket套接字上接收消息
static char *s_recv(void *socket);
 
// 向socket套接字發送消息string
static int s_send(void *socket, char *string);

int main()
{
    int rc;
    
    // 1.創建新的上下文對象
    void *context = zmq_ctx_new();
    assert(context != NULL);

    // 2.創建、綁定PAIR3套接字, PAIR2會連接該套接字並向該套接字發送消息
    void *receiver = zmq_socket(context, ZMQ_PAIR);
    assert(receiver != NULL);
    rc = zmq_bind(receiver, "inproc://step3");
    assert(rc != -1);

    // 3.創建線程, 線程中創建PAIR2套接字, PAIR2套接字會向PAIR3發送消息
    pthread_t thread_id;
    pthread_create(&thread_id, NULL, step2, context);

    // 4.阻塞等待接收PAIR2發來消息
    char *string = s_recv(receiver);
    assert(string != NULL);
    free(string);

    // 5.打印消息
    printf("Test successful!\n");

    // 6.關閉套接字、銷燬上下文
    zmq_close(receiver);
    zmq_ctx_destroy(context);
    
    return 0;
}

static void *step2(void *arg)
{
    // 參數爲上下文對象指針

    int rc;
    
    // 1.創建、綁定PAIR2套接字, PAIR1會連接該套接字並向該套接字發送消息
    void *receiver = zmq_socket(arg, ZMQ_PAIR);
    assert(receiver != NULL);
    rc = zmq_bind(receiver, "inproc://step2");
    assert(rc != -1);

    // 2.創建線程, 線程中創建PAIR1套接字, PAIR1套接字會向PAIR2發送消息
    pthread_t thread_id;
    pthread_create(&thread_id, NULL, step1, arg);
    
    // 3.等待接收PAIR1發來消息
    char *string = s_recv(receiver);
    assert(string != NULL);
    free(string);
    // 關閉PAIR2套接字
    zmq_close(receiver);


    // 接收到PAIR1發來消息之後, 再開始向PAIR3發送通知

    
    // 4.重新創建一個PAIR2套接字, 該套接連接PAIR3
    void *xmitter = zmq_socket(arg, ZMQ_PAIR);
    assert(xmitter != NULL);
    rc = zmq_connect(xmitter, "inproc://step3");
    assert(rc != -1);

    // 5.向PAIR3發送通知
    printf("Step 2 ready, signaling step 3\n");
    rc = s_send(xmitter, "READY");
    assert(rc != -1);
    zmq_close(xmitter);

    return NULL;
}

static void *step1(void *arg)
{
    // 參數爲上下文對象指針
    int rc;
    
    // 創建一個PAIR1套接字, 然後連接PAIR2套接字
    void *xmitter = zmq_socket(arg, ZMQ_PAIR);
    assert(xmitter != NULL);
    rc = zmq_connect(xmitter, "inproc://step2");
    assert(rc != -1);

    // 5.向PAIR2發送通知
    printf("Step 1 ready, signaling step 2\n");
    rc = s_send(xmitter, "READY");
    assert(rc != -1);
    zmq_close(xmitter);

    return NULL;
}

static char *s_recv(void *socket)
{
    int size;
    
    zmq_msg_t msg;
    zmq_msg_init(&msg);
    
    size = zmq_msg_recv(&msg, socket, 0);
    if(size == -1)
        return NULL;
 
    char *string = (char*)malloc(size + 1);
    if(string == NULL)
        return NULL;
    memcpy(string, zmq_msg_data(&msg), size);
 
    zmq_msg_close(&msg);
 
    string[size] = 0;
 
    return string;
}
 
static int s_send(void *socket, char *string)
{
    int rc;
    
    zmq_msg_t msg;
    zmq_msg_init_size(&msg, strlen(string));
 
    memcpy(zmq_msg_data(&msg), string, strlen(string));
    
    rc = zmq_msg_send(&msg, socket, 0);
    
    zmq_msg_close(&msg);
 
    return rc;
}

• 編譯運行如下：

gcc -o mtrelay mtrelay.c -lzmq

案例分析

• 這是使用ØMQ進行多線程編程的一個經典模式：
  • 1.兩個線程通過inproc通信，使用的是共享的上下文
  • 2.父線程創建一個套接字，將其綁定到一個inproc端點，然後啓動子線程，將上下文傳遞給它
  • 3.子線程創建第二個套接字，將它連接到該inproc端點，然後發信號告訴父線程，它已準備就緒
• 使用這種模式的多線程嗲嗎是不可擴展到進程的。如果你使用inproc和套接字對，你就正在構建一個緊耦合的應用程序，也就是說，其中你的線程在結構是相互依存的，只有在低延遲真的很重要的時候才這樣做。另一種設計模式是一個松耦合的應用程序，其中的線程有自己的上下文並通過ipc或tcp通信。你可以輕鬆地將松耦合的線程分解爲單獨的進程

爲什麼選擇的是PAIR？

• 此處使用的是PAIR套接字，其他套接字組合也能夠完成上面相同的工作，但是其他臺套接字都有副作用，可能會干擾信令：
  • 你可以讓發送者使用PUSH並讓接收者使用PULL，但是PUSH會把消息發送給所有存在的接收者，假設你啓動了2個接收者，那麼就會“丟失”一半的信號。PAIR具有拒絕多個連接，兩個連接的組成的對是獨佔的
  • 你可以讓發送者使用DEALER並讓接收者使用ROUTER，但是ROUTER將你的信息包裝在一個“封包”中，這意味着你的大小爲0的信號變成了一個多部分消息。如果你不關心數據並把任何東西都當做一個有效的信號，並且如果你不會不止一次地從套接字上讀取，這並不重要。但是，如果你決定要發送實際數據時，你會突然發現ROUTER爲你提供了“錯誤”的消息。DEALER也分發傳出消息，這帶來與PUSH相同的風險
  • 你可以讓發送者使用PUB，而讓接收者使用SUB，這將完全按照你發送它們的原樣正確地傳遞你的消息，而且PUB不像PUSH或DEALER那樣分發消息。但是，你需要用空訂閱配置訂閱者，這比較麻煩，更糟的是，PUB-SUB鏈接的可靠性是與實踐相關的，並且如果在PUB套接字發送消息時，SUB套接字正在連接，信息就有可能會丟失
• 綜合以上的原因，使得PAIR成爲線程對之間協調的最佳選擇

五、節點協調

• 當你想協調節點時，PAIR套接字就無法正常工作了，這是線程和節點的策略不同的少數地方之一。詳情參閱下一篇文章：https://blog.csdn.net/qq_41453285/article/details/106949903