原文:使用内存映射开发高性能进程间消息通信组件
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一、背景
项目开发中免不了各模块或系统之间进行消息通信，目前热门的消息中间件有Redis、RabbitMQ、Kafka、RocketMQ等等。
以上几种组件中Redis在消息队列方面表现还可以，但是如果涉及发布订阅功能，就不行了，最近项目就使用了redis的发布订阅，
每秒只能发出几千条，虽然目前绰绰有余，但是瓶颈可以预期。
其余的几种都是比较重量级的消息中间件，什么跨平台、分布式、集群、支持N种协议等等，很高大全，
我们可能就只使用了其中1、2个功能。严格来说，项目中集成这几种MQ的工作量是不小的，对于中小型系统来说，可能维护MQ
稳定的工作量都比项目还大，难度也高，所有功能用全了的程序员恐怕不多。
从长远考虑出发，选择重量级MQ恐怕是板上钉钉的事，但是项目一开始就上这几种，我觉得那也是欠缺考虑的。如果项目
根本不要求跨机器通信，那杀鸡就不要用牛刀了。比如，你只是在模块之间、线程之间、进程之间，或者是在同一主机的各种不同系统之间，
其实都可以不用重量级MQ。当然你使用了也没事，看个人选择。
最近的项目有这么个场景，采集近所有底层设备，每个设备有点3000个，总共20多万个点需要采集上来。刚开始使用了Redis的发布订阅，
但是程序毫无疑问地挂了，根本带不起来；因为程序启动时每个点的值都是从0变成N，就需要发消息出来，那一开始消息是很多的，redis根本
处理不完，而且有很高频率的超时断线。以至于想换RabbitMQ，后来想想还是算了，因为那样增加项目难度不说，后期维护也是个难题。
说到底这是模块之间的通信，是主程序（Winform）调用采集C++的DLL类库，发出消息后主程序和web端订阅，在主程序与DLL这边，在DLL
方法上增加一个回调函数就搞定了，完全不用走消息中间件，Web端要哪些点的实时值就先ASK，先请求需要看哪些点，如何在主程序这边
发布那些点的实时值消息，这样发布订阅的数据量少了2、3个数量级不止。
二、需求
针对上边的业务场景，因为是模块之间的线程间通信，这样搞问题不大；如果是进程之间也要那么高频率的通信，那就不好办了，我们
不想使用重量级MQ，又想高频率传输消息，怎么办呢？网上搜索了一番，貌似没看到有成熟的速度又快、体量又小，部署又简单的中间件。
所以在下不才，针对这个问题抛砖引玉，做一个demo出来供大家讨论一下。
三、原理
应题，就是使用内存映射来做同一个机器下各种消息的通信，之前也写过一篇关于使用共享内存实现快速读写的文章，点击前往浏览
“.net环境下跨进程、高频率读写数据”，但是内存映射比较适合做消息队列，因为消息可以持久化在本地，没读完下次进来还可以接着读。
我预想是这样设计：
1、发布订阅涉及到2个主要方法：Publish(string channel)、Subscribe(string channel, Callback callback);
2、为每个channel生成一个文件：channel.db,默认每个db可以存储1000个同类型的结构体消息作为消息队列，从头部写入，尾部读出。
每个db文件前面留一个索引区作为发布方与订阅方各自的读写位置。发布与订阅前，先读写这个索引区，因为是一对一读写，所以
可以完美避开读写锁，大大提高性能。
3、针对一对多需求，单独设计一个config.db文件存储种channel与其相关订阅信息，大概原理图如下：
4、解决读写不加锁问题
我们看结构体：SIndex有三个属性
1) WriteIndex 记录发布方(Pubish)最后写入数据的位置
2) ReadIndex 记录订阅方(Subscribe)最后读取数据的位置
3) Over 表示WriteIndex已达到队列最大值，再WriteIndex小于等于队列最大值前，读写如下图：
WriteIndex达到最大值后再往下写Over就要取反，如由False变为True。WriteIndex=0
如果此时没有订阅方,那新消息就会被抛弃，因为已无空间存储。
4) 如果ReadIndex数值到队列最大值，Over也取反，此时ReadIndex = 0,读写又变成图1所示
5) 读写过程中并不存在互斥的情况，只要管理好读写位置，就可以避免加锁。
四、接口设计
4.1、主要参数定义
#define FM_MAX_CHANNEL 100 // 暂定最多100个不同频道 #define FM_MAX_SUBSCRIBE 3 // 暂定最多3个订阅用户 #define FM_MAX_ROWS 1000 // 暂定最多队列大小为1000 #define FM_DISCONNECT_TIME 5000 // 超过5000毫秒无心跳更新视为订阅断开 #define FM_KEEP_CONN_CYCLE 1000 // 保持心跳连接的时间周期 #define FM_NOTHING -1 // 空白,数组为0等 #define FM_WORD_SIZE sizeof(WORD) // WORD长度 #define FM_INDEX_SIZE sizeof(SIndex) // SIndex长度
4.2、结构体
1 // 索引
2 typedef struct
3 {
4 WORD WriteIndex;
5 WORD ReadIndex;
6 WORD Over; // 当W或R超过MAX一次，Over取反一次,Over默认为False
7 }SIndex;
8
9 // 内存映射参数
10 typedef struct
11 {
12 HANDLE FileHandle;
13 HANDLE FileMappingHandle;
14 LPVOID MapViewOfFileHandle;
15 UINT StructSize;
16 char FileName[20];
17 UINT SubscribeIndex;
18 WORD Conned;
19 }SDbConnInfo;
20
21 // 频道
22 typedef struct
23 {
24 char ChannelName[20];
25 UINT StructSize;
26 DWORD Subscribe1LastTime;
27 DWORD Subscribe2LastTime;
28 DWORD Subscribe3LastTime;
29 }SChannel;
30
31 // 频道与订阅映射
32 typedef struct
33 {
34 char ChannelName[20];
35 SDbConnInfo DbConnInfo[FM_MAX_SUBSCRIBE];
36 }SChannelMapDbConnInfo;
4.3、主要方法
// 发布信息 template<typename T> int Publish(const char *channel, T* data); // 订阅信息 template<typename T> void Subscribe(const char *channel, SubscribeCallBackHandle callback);
五、代码实现
5.1 、FMDBManager，主要管理内存映射相关操作，因为是读写位置不一样，所以不需要加互斥量
1 class FMDBManager
2 {
3 public:
4 FMDBManager() {};
5 ~FMDBManager() {};
6
7 public:
8 static int Create(SDbConnInfo *info)
9 {
10 CString fileName(info->FileName);
11 DWORD totalSize = (FM_MAX_ROWS * info->StructSize) + FM_INDEX_SIZE;
12
13 info->FileHandle = CreateFile(fileName, (GENERIC_READ | GENERIC_WRITE), (FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE),
14 NULL, OPEN_ALWAYS, FILE_FLAG_SEQUENTIAL_SCAN, NULL);
15
16 info->FileMappingHandle = CreateFileMapping(info->FileHandle, NULL, PAGE_READWRITE, 0, totalSize, NULL);
17
18 if(info->FileMappingHandle == NULL || info->FileMappingHandle == INVALID_HANDLE_VALUE)
19 {
20 Log("");
21 CloseHandle(info->FileHandle);
22 return enumFail;
23 }
24
25 if(GetLastError() == ERROR_ALREADY_EXISTS)
26 {
27 Log("");
28 return enumFail;
29 }
30
31 // init
32 info->MapViewOfFileHandle = MapViewOfFile(info->FileMappingHandle, FILE_MAP_ALL_ACCESS, 0, 0, totalSize);
33
34 if(info->MapViewOfFileHandle == NULL)
35 {
36 Log("");
37 CloseHandle(info->FileMappingHandle);
38 CloseHandle(info->FileHandle);
39 return enumFail;
40 }
41
42 return enumSuccess;
43 }
44
45 protected:
46 int Write(void *data, UINT order, SDbConnInfo *info)
47 {
48 if(info->MapViewOfFileHandle == NULL)
49 {
50 Log("");
51 return enumFail;
52 }
53 else
54 memcpy((char *)info->MapViewOfFileHandle + (order * info->StructSize) + FM_INDEX_SIZE, data, info->StructSize);
55
56 return enumSuccess;
57 }
58 int Read(void *data, UINT order, SDbConnInfo *info)
59 {
60 if(info->MapViewOfFileHandle == NULL)
61 {
62 Log("");
63 return enumFail;
64 }
65 else
66 memcpy(data, (char *)info->MapViewOfFileHandle + (order * info->StructSize) + FM_INDEX_SIZE, info->StructSize);
67
68 return enumSuccess;
69 }
70 int Delete(UINT order, SDbConnInfo *info)
71 {
72 if(info->MapViewOfFileHandle == NULL)
73 {
74 Log("");
75 return enumFail;
76 }
77 else
78 memset((char *)info->MapViewOfFileHandle + (order * info->StructSize) + FM_INDEX_SIZE, 0, info->StructSize);
79
80 return enumSuccess;
81 }
82
83 int WriteConfig(void *data, UINT order, UINT pos, UINT size, SDbConnInfo *info)
84 {
85 if(info->MapViewOfFileHandle == NULL)
86 {
87 Log("");
88 return enumFail;
89 }
90 else
91 memcpy((char *)info->MapViewOfFileHandle + (order * info->StructSize) + FM_INDEX_SIZE + pos, data, size);
92
93 return enumSuccess;
94 }
95 int WriteIndex(void *data, UINT pos, UINT size, SDbConnInfo *info)
96 {
97 if(info->MapViewOfFileHandle == NULL)
98 {
99 Log("");
100 return enumFail;
101 }
102 else
103 memcpy((char *)info->MapViewOfFileHandle + pos, data, size);
104
105 return enumSuccess;
106 }
107 int ReadIndex(SIndex *sIndex, SDbConnInfo *info)
108 {
109 if(info->MapViewOfFileHandle == NULL)
110 {
111 Log("");
112 return enumFail;
113 }
114 else
115 memcpy(sIndex, (char *)info->MapViewOfFileHandle, FM_INDEX_SIZE);
116
117 return enumSuccess;
118 }
119 };
5.2、FMDBClient，内存映射客户端，主要封装Publish与Subscribe方法给前端调用，屏蔽复杂性
1 class FMDBClient : public FMDBManager
2 {
3 private:
4 mutable std::mutex mut;
5 SChannelMapDbConnInfo channelMapDbConnInfo = { 0 };
6
7 bool CanWrite(SIndex *sIndex)
8 {
9 int nextWriteIndex = sIndex->WriteIndex + 1;
10 if(nextWriteIndex > FM_MAX_ROWS) nextWriteIndex = 0;
11
12 return nextWriteIndex != sIndex->ReadIndex;
13 }
14 bool CanRead(SIndex *sIndex) {
15 if(sIndex->Over) return sIndex->ReadIndex > sIndex->WriteIndex;
16 else return sIndex->ReadIndex + 1 <= sIndex->WriteIndex;
17 }
18
19 int GetDbConnInfo(const char *channel, int size)
20 {
21 int rest = enumFail;
22
23 for(int i = 0; i < FM_MAX_CHANNEL; i++)
24 {
25 char channelNameTmp[20] = { 0 };
26 sprintf_s(channelNameTmp, "%s", channel);
27
28 if(0 == strcmp(channelNameTmp, channelMapDbConnInfoArray[i].ChannelName))
29 {
30 channelMapDbConnInfo = channelMapDbConnInfoArray[i];
31 rest = enumSuccess;
32 break;
33 }
34 }
35
36 return rest;
37 }
38 int SetDbConnInfo(const char *channel, UINT *subscribeIndex, SDbConnInfo *dbConnInfo)
39 {
40 std::lock_guard<std::mutex> lk(mut);
41
42 int nextSubscribeIndex = fmdbConfig->GetNextSubscribeIndex(channel);
43 if(nextSubscribeIndex == FM_NOTHING)
44 {
45 SChannel sChannel = { 0 };
46 sprintf_s(sChannel.ChannelName, "%s", channel);
47 sChannel.Subscribe1LastTime = GetTickCount();
48 sChannel.StructSize = dbConnInfo->StructSize;
49
50 sprintf_s(dbConnInfo->FileName, "%s.1.db", channel);
51 if(!fmdbConfig->IsFM_NOTHING(dbConnInfo->FileName) && dbConnInfo->StructSize > 0)
52 {
53 dbConnInfo->SubscribeIndex = 1;
54 *subscribeIndex = dbConnInfo->SubscribeIndex;
55
56 if(Create(dbConnInfo) == enumSuccess) return fmdbConfig->Insert(&sChannel);
57 else sprintf_s(dbConnInfo->FileName, "%s", channel); //还原名称
58 }
59 }
60
61 if(nextSubscribeIndex > 1)
62 {
63 sprintf_s(dbConnInfo->FileName, "%s.%d.db", channel, nextSubscribeIndex);
64 if(!fmdbConfig->IsFM_NOTHING(dbConnInfo->FileName) && dbConnInfo->StructSize > 0)
65 {
66 dbConnInfo->SubscribeIndex = nextSubscribeIndex;
67 *subscribeIndex = nextSubscribeIndex;
68
69 if(Create(dbConnInfo) == enumSuccess) return fmdbConfig->Save(channel, nextSubscribeIndex);
70 else sprintf_s(dbConnInfo->FileName, "%s", channel); //还原名称
71 }
72 }
73
74 return enumFail;
75 }
76 bool SetSubscribeConned(const char *channel, int subscribeIndex, SDbConnInfo *dbConnInfo)
77 {
78 int rest = enumFail;
79
80 if(subscribeIndex <= 0) return rest;
81
82 for(int i = 0; i < FM_MAX_CHANNEL; i++)
83 {
84 char channelNameTmp[20] = { 0 };
85 sprintf_s(channelNameTmp, "%s", channel);
86
87 if(0 == strcmp(channelNameTmp, channelMapDbConnInfoArray[i].ChannelName))
88 {
89 channelMapDbConnInfoArray[i].DbConnInfo[subscribeIndex - 1].SubscribeIndex = dbConnInfo->SubscribeIndex;
90 channelMapDbConnInfoArray[i].DbConnInfo[subscribeIndex - 1].Conned = 1;
91 rest = enumSuccess;
92 break;
93 }
94 }
95
96 return rest;
97 }
98 bool IsConning(SDbConnInfo *dbConnInfo) { return true; };
99
100 public:
101 FMDBClient()
102 {
103 while(!fmdbConfigLoadFinish) { Sleep(200); }
104 };
105 ~FMDBClient() {};
106
107 public:
108 int failTimes = 0;
109
110 template<typename T>
111 int Publish(const char *channel, T* data)
112 {
113 int rest = enumFail;
114
115 // 查找
116 if(GetDbConnInfo(channel, sizeof(T)) == enumFail)
117 {
118 printf_s("发布%s失败.\n", channel);
119 return enumFail;
120 }
121
122 for(int i = 0; i < FM_MAX_SUBSCRIBE; i++)
123 {
124 if(channelMapDbConnInfo.DbConnInfo[i].FileHandle == NULL) continue;
125
126 while(IsConning(&channelMapDbConnInfo.DbConnInfo[i]))
127 {
128 SIndex sIndex = { 0 };
129 if(ReadIndex(&sIndex, &channelMapDbConnInfo.DbConnInfo[i]) == enumFail)
130 {
131 throw "映射文件加载失败";
132 }
133
134 if(CanWrite(&sIndex))
135 {
136 WORD writeIndex = sIndex.WriteIndex;
137 if(Write(data, writeIndex, &channelMapDbConnInfo.DbConnInfo[i]) == enumSuccess)
138 {
139 writeIndex++;
140 if(writeIndex > FM_MAX_ROWS)
141 {
142 writeIndex = 0;
143
144 WORD Over = TRUE;
145 WriteIndex(&Over, (FM_WORD_SIZE * 2), FM_WORD_SIZE, &channelMapDbConnInfo.DbConnInfo[i]);
146 }
147
148 rest = WriteIndex(&writeIndex, 0, FM_WORD_SIZE, &channelMapDbConnInfo.DbConnInfo[i]);
149 break;
150 }
151 }
152 else
153 {
154 failTimes++;
155 }
156 }
157 }
158
159 return rest;
160 }
161
162 template<typename T>
163 void Subscribe(const char *channel, SubscribeCallBackHandle callback)
164 {
165 SDbConnInfo dbConnInfo = { 0 };
166 dbConnInfo.StructSize = sizeof(T);
167
168 UINT subscribeIndex = 0;
169 if(SetDbConnInfo(channel, &subscribeIndex, &dbConnInfo) == enumFail)
170 {
171 printf_s("订阅%s失败.\n", channel);
172 return;
173 }
174
175 while(IsConning(&dbConnInfo))
176 {
177 SetSubscribeConned(channel, subscribeIndex, &dbConnInfo);
178
179 SIndex sIndex = { 0 };
180 if(ReadIndex(&sIndex, &dbConnInfo) == enumFail) throw "映射文件加载失败";
181 if(!CanRead(&sIndex)) continue;
182
183 T t = { 0 };
184 int readIndex = sIndex.ReadIndex;
185 if(Read(&t, readIndex, &dbConnInfo) == enumSuccess)
186 {
187 readIndex++;
188 if(readIndex > FM_MAX_ROWS)
189 {
190 readIndex = 0;
191
192 WORD Over = FALSE;
193 WriteIndex(&Over, (FM_WORD_SIZE * 2), FM_WORD_SIZE, &dbConnInfo);
194 }
195
196 if(WriteIndex(&readIndex, FM_WORD_SIZE, FM_WORD_SIZE, &dbConnInfo) == enumSuccess)
197 if(Delete(sIndex.ReadIndex, &dbConnInfo) == enumSuccess)
198 if(callback(&t) == enumBreak) break;
199 }
200 }
201 }
202 };
请注意上边控制读写的2个方法
bool CanWrite(SIndex *sIndex)
{
int nextWriteIndex = sIndex->WriteIndex + 1;
if(nextWriteIndex > FM_MAX_ROWS) nextWriteIndex = 0;
return nextWriteIndex != sIndex->ReadIndex;
}
bool CanRead(SIndex *sIndex)
{
if(sIndex->Over) return sIndex->ReadIndex > sIndex->WriteIndex;
else return sIndex->ReadIndex + 1 <= sIndex->WriteIndex;
}
我们可以分析一下，下一个WriteIndex值如果大于队列最大值 WriteIndex置0，下一个WriteIndex数值如果不等于
正在读的位置ReadIndex就能写；如果WriteIndex没有超出最大值，只要ReadIndex小于等于WriteIndex就能读，
如果超出，就判断ReadIndex大于WriteIndex就能读。WriteIndex与ReadIndex数值在Publish与Subscribe中维护
5.3、建立新线程获取最新订阅的客户端信息，这个功能主要是动态地像多个Subscribe端发生消息，比如订阅发生在发布之后，
也应该能收到消息。
1 void Update()
2 {
3 while(true)
4 {
5 if(fmdbConfig->GetChannelArray() == enumSuccess)
6 {
7 for(int i = 0; i < FM_MAX_CHANNEL; i++)
8 {
9 if(fmdbConfig->IsFM_NOTHING(channelMapDbConnInfoArray[i].ChannelName)) continue;
10
11 for(int j = 0; j < FM_MAX_SUBSCRIBE; j++)
12 {
13 if(channelMapDbConnInfoArray[i].DbConnInfo[j].StructSize <= 0) continue;
14
15 // KeepConned
16 if(channelMapDbConnInfoArray[i].DbConnInfo[j].Conned)
17 {
18 fmdbConfig->KeepConned(channelMapDbConnInfoArray[i].ChannelName,
19 channelMapDbConnInfoArray[i].DbConnInfo[j].SubscribeIndex);
20
21 channelMapDbConnInfoArray[i].DbConnInfo[j].Conned = 0;
22 //printf_s("%s.KeepConned.\n", channelDbParsArray[i].SDbPars[j].Channel);
23 }
24
25 if(!fmdbConfig->Exists(channelMapDbConnInfoArray[i].DbConnInfo[j].FileName))
26 {
27 FMDBManager::Create(&channelMapDbConnInfoArray[i].DbConnInfo[j]);
28 fmdbConfig->AddChannel(channelMapDbConnInfoArray[i].DbConnInfo[j].FileName);
29 }
30 }
31 }
32 }
33
34 fmdbConfigLoadFinish = true;
35 Sleep(1000);
36 }
37 }
38 thread th(Update);
六、Demo测试
6.1、Producer.cpp
1 #include "pch.h"
2 #include "../FMDB.h"
3
4 using namespace std;
5
6 int main()
7 {
8 FMClient * client = new FMClient();
9
10 int times = 0;
11 int index = 0;
12 int total = 0;
13 UINT structSize = sizeof(SPerson);
14 DWORD dwStartTmp = GetTickCount();
15
16 while(TRUE)
17 {
18 times++;
19 if(index == 0)
20 {
21 dwStartTmp = GetTickCount();
22 }
23
24 SPerson sPerson = { 0 };
25 sPerson.Idx = index;
26 sprintf_s(sPerson.Name, "Name.%d", index);
27 sPerson.Age = index;
28
29 if(client->Publish("Person", &sPerson) == enumSuccess)
30 {
31 if(index % 2 == 0) total = total + sPerson.Idx;
32 else total = total - sPerson.Idx;
33
34 index++;
35 if(index % 50000 == 0)
36 printf_s("发送条数: %d, 耗时:%d \n", index, (GetTickCount() - dwStartTmp));
37 }
38
39 if(index >= 2000000) break;
40 }
41
42 printf_s("调用次数: %d, 成功条数: %d, 检验值: %d \n", times, index, total);
43 system("pause");
44 }
6.2、Consumer.cpp
1 #include "pch.h"
2 #include "../FMDB.h"
3
4 using namespace std;
5
6 int index = 0;
7 int total = 0;
8 DWORD dwStartTmp = GetTickCount();
9
10 int SubscribeCallback(void *msg)
11 {
12 SPerson * person = (SPerson *)msg;
13
14 if(index == 0)
15 {
16 dwStartTmp = GetTickCount();
17 }
18
19 if(index % 2 == 0) total = total + person->Idx;
20 else total = total - person->Idx;
21
22 index++;
23 if(index % 50000 == 0)
24 {
25 printf("接收条数: %d, 耗时:%d, Idx:%d, Name:%s, Age:%d\n",
26 index, (GetTickCount() - dwStartTmp), person->Idx, person->Name, person->Age);
27 }
28
29 if(index >= 2000000)
30 {
31 return enumBreak;
32 }
33
34 return enumSuccess;
35 };
36
37 int main()
38 {
39 FMClient * client = new FMClient();
40 client->Subscribe<SPerson>("Person", SubscribeCallback);
41
42 printf("接收条数: %d, 检验值: %d \n", index, total);
43 system("pause");
44 }
6.3、运行，测试用例中使用了向队列发送200万条数据，消息大小128字节，订阅端也是接受到200万数据后退出，并且打印检验值。
1) 检验值计算：0+1-2+3-4+ --------- - 2000000 = -1000000，如果队列运行正常，那两边的检验值应该都是是 -1000000.
2) 每5万条打印一次日志，运行情况如下
一对一方式运行三次，分别耗时(毫秒)：2886、2979、2871
3) 一对二方式运行三次，分别耗时(毫秒)：4087、4009、4040
4)运行过程中产生的文件
6.4、200万数据一对一耗时近3秒，貌似也不是非常快是不是？但是这就是最大速度了吗？
当然不是哦，别忘了这是debug版本，我们切换到release版本看速度会不会有所提升。
一对一运行三次耗时分别是：1224、1373、1326
厉害了，
SPerson结构体128字节，每秒可以处理180万数据，当然实际运用肯定达不到，因为处理其他业务逻辑也要耗时间。
好了，为了这个demo脑壳都想疼了，思考模型，调试BUG，期间各种问题，实在茶壶煮饺子，有苦说不出。
你看，又浪费我周末2天时间，期间就吃了一餐，今天的还没吃呢，等下去旁边山上走走，不然就要发霉了。拜拜。。。
来源：https://www.cnblogs.com/lonelyxmas/p/10713758.html