重头戏！ZeroMQ的独家对模式详解：ZMQ_PAIR

一、ØMQ模式总览

• ØMQ支持多种模式，具体可以参阅：https://blog.csdn.net/qq_41453285/article/details/106865539
• 本文介绍ØMQ的独家对模式

二、独家对模式

• 在前面的文章中我们介绍过如何编写ØMQ多线程程序：https://blog.csdn.net/qq_41453285/article/details/106882216
• 独家对模式（Exclusive pair）用于将一个对等点精确地连接到另一个对等点。此模式用于跨inproc传输的线程间通信
• 互斥对模式由http://rfc.zeromq.org/spec:31正式定义
• “独家对模式”支持的套接字类型只有1种：
  • ZMQ_PAIR

三、“PAIR”套接字类型

• ZMQ_PAIR类型的套接字只能一次连接到单个对等方。对通过ZMQ_PAIR套接字发送的消息不执行消息路由或筛选
• 当ZMQ_PAIR套接字由于已达到连接对等方的高水位线而进入静音状态时，或者如果没有连接任何对等方，则套接字上的任何zmq_send()操作都应阻塞，直到对等方可用于发送；消息不会被丢弃
• 适用协议：
  • ZMQ_PAIR套接字设计用于通过nproc传输进行线程间通信，并且不实现自动重新连接等功能
  • 尽管ZMQ_PAIR套接字可用于inproc以外的其他传输协议，但是它们无法自动重新连接，并且当以前存在任何连接(包括关闭状态的连接)时，新的传入连接将被终止，这使得它们在大多数情况下不适合TCP

四、PAIR套接字应用场景：协调线程

• 在编写多线程应用程序时，会遇到如何“协调线程”的问题，例如一个线程状态发生改变时同时另一个线程：
  • 如果使用以往的多线程程序，你可能会使用信号量或互斥等技术
  • 但是在ØMQ中，你可以使用ZMQ_PAIR套接字来进行线程间的通信
• 下面是一个演示案例，下面创建三个PAIR套接字：
  • PAIR3：主线程中的PAIR套接字，等待PAIR2发来通知消息
  • PAIR2：在主线程中调用pthread_create()创建线程，在线程的回调函数中创建PAIR2套接字，该套接字等待PAIR1发来通知消息
  • PAIR1：PAIR2所在的线程再调用一次pthread_create()，在线程的回调函数中创建PAIR1套接字，PAIR1会向PAIR2发送消息
• 整体的流程就是：PAIR1发送消息给PAIR2，PAIR2接收到PAIR1的消息之后再发送消息给PAIR3，PAIR3接收到PAIR2的消息之后退出程序

• 代码如下：

// mtrelay.c
// 源码链接: 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套接字执行函数, 参数为主进程的上下文对象指针
static void *step2(void *arg);// PAIR1套接字执行函数, 参数为主进程的上下文对象指针
static void *step1(void *arg);// 从socket套接字上接收消息
static char *s_recv(void *socket);// 向socket套接字发送消息string
static int s_send(void *socket, char *string);int main()
{int rc;// 1.创建新的上下文对象void *context = zmq_ctx_new();assert(context != NULL);// 2.创建、绑定PAIR3套接字, PAIR2会连接该套接字并向该套接字发送消息void *receiver = zmq_socket(context, ZMQ_PAIR);assert(receiver != NULL);rc = zmq_bind(receiver, "inproc://step3");assert(rc != -1);// 3.创建线程, 线程中创建PAIR2套接字, PAIR2套接字会向PAIR3发送消息pthread_t thread_id;pthread_create(&thread_id, NULL, step2, context);// 4.阻塞等待接收PAIR2发来消息char *string = s_recv(receiver);assert(string != NULL);free(string);// 5.打印消息printf("Test successful!\n");// 6.关闭套接字、销毁上下文zmq_close(receiver);zmq_ctx_destroy(context);return 0;
}static void *step2(void *arg)
{// 参数为上下文对象指针int rc;// 1.创建、绑定PAIR2套接字, PAIR1会连接该套接字并向该套接字发送消息void *receiver = zmq_socket(arg, ZMQ_PAIR);assert(receiver != NULL);rc = zmq_bind(receiver, "inproc://step2");assert(rc != -1);// 2.创建线程, 线程中创建PAIR1套接字, PAIR1套接字会向PAIR2发送消息pthread_t thread_id;pthread_create(&thread_id, NULL, step1, arg);// 3.等待接收PAIR1发来消息char *string = s_recv(receiver);assert(string != NULL);free(string);// 关闭PAIR2套接字zmq_close(receiver);// 接收到PAIR1发来消息之后, 再开始向PAIR3发送通知// 4.重新创建一个PAIR2套接字, 该套接连接PAIR3void *xmitter = zmq_socket(arg, ZMQ_PAIR);assert(xmitter != NULL);rc = zmq_connect(xmitter, "inproc://step3");assert(rc != -1);// 5.向PAIR3发送通知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)
{// 参数为上下文对象指针int rc;// 创建一个PAIR1套接字, 然后连接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发送通知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;
}

• 编译运行如下：

gcc -o mtrelay mtrelay.c -lzmq

案例分析

• 这是使用ØMQ进行多线程编程的一个经典模式：
  • 1.两个线程通过inproc通信，使用的是共享的上下文
  • 2.父线程创建一个套接字，将其绑定到一个inproc端点，然后启动子线程，将上下文传递给它
  • 3.子线程创建第二个套接字，将它连接到该inproc端点，然后发信号告诉父线程，它已准备就绪
• 使用这种模式的多线程代码是不可扩展到进程的。如果你使用inproc和套接字对，你就正在构建一个紧耦合的应用程序，也就是说，其中你的线程在结构是相互依存的，只有在低延迟真的很重要的时候才这样做。另一种设计模式是一个松耦合的应用程序，其中的线程有自己的上下文并通过ipc或tcp通信。你可以轻松地将松耦合的线程分解为单独的进程

为什么选择的是PAIR？

• 此处使用的是PAIR套接字，其他套接字组合也能够完成上面相同的工作，但是其他台套接字都有副作用，可能会干扰信令：
  • 你可以让发送者使用PUSH并让接收者使用PULL，但是PUSH会把消息发送给所有存在的接收者，假设你启动了2个接收者，那么就会“丢失”一半的信号。PAIR具有拒绝多个连接，两个连接的组成的对是独占的
  • 你可以让发送者使用DEALER并让接收者使用ROUTER，但是ROUTER将你的信息包装在一个“封包”中，这意味着你的大小为0的信号变成了一个多部分消息。如果你不关心数据并把任何东西都当做一个有效的信号，并且如果你不会不止一次地从套接字上读取，这并不重要。但是，如果你决定要发送实际数据时，你会突然发现ROUTER为你提供了“错误”的消息。DEALER也分发传出消息，这带来与PUSH相同的风险
  • 你可以让发送者使用PUB，而让接收者使用SUB，这将完全按照你发送它们的原样正确地传递你的消息，而且PUB不像PUSH或DEALER那样分发消息。但是，你需要用空订阅配置订阅者，这比较麻烦，更糟的是，PUB-SUB链接的可靠性是与实践相关的，并且如果在PUB套接字发送消息时，SUB套接字正在连接，信息就有可能会丢失
• 综合以上的原因，使得PAIR成为线程对之间协调的最佳选择

五、节点协调

• 当你想协调节点时，PAIR套接字就无法正常工作了，这是线程和节点的策略不同的少数地方之一。详情参阅下一篇文章：https://blog.csdn.net/qq_41453285/article/details/106949903。

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