ACE框架在網(wǎng)絡(luò)游戲服務(wù)器中的設(shè)計與應(yīng)用
1 ACE框架
ACE自適應(yīng)通信環(huán)境(ADAPTIVE CommunicationEnvironment)是可以自由使用、開放源碼的面向?qū)ο?OO)框架(Framework)，在其中實現(xiàn)了許多用于并發(fā)通信軟件的核心模式。ACE提供了一組豐富的可復(fù)用C++Wrapper Facade(包裝外觀)和框架組件，可跨越多種平臺完成通用的通信軟件任務(wù)，其中包括：事件多路分離和事件處理器分派、信號處理、服務(wù)初始化、進程間通信、共享內(nèi)存管理、消息路由、分布式服務(wù)動態(tài)(重)配置、并發(fā)執(zhí)行和同步等。ACE體系結(jié)構(gòu)包括3個基本層次：操作系統(tǒng)適配層、C++包裝層、框架組件層。操作系統(tǒng)適配層直接駐留在用C寫成的本地OS API之上，將ACE中的其他層與OS API相關(guān)聯(lián)的平臺專有特性屏蔽開來。由于ACE操作適配層所提供的抽象，極大地增強了ACE的可移植性和可維護性。C++包裝層通過提供類型安全的C++接口簡化通信應(yīng)用程序的開發(fā)，各種應(yīng)用可以有選擇地繼承、聚合或?qū)嵗渲械慕M件來使用這些包裝。ACE還包括一個高級的網(wǎng)絡(luò)編程框架，集成并增強較低層次的C++包裝層，該框架支持并發(fā)分布式服務(wù)動態(tài)配置。
大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用可以通過ACE這樣的可移植中間件進行開發(fā)，因為ACE封裝并加強了本地操作系統(tǒng)機制，通過其組件可以移除底層操作系統(tǒng)API的繁瑣和易錯性創(chuàng)建可重用的網(wǎng)絡(luò)程序。
2 網(wǎng)絡(luò)游戲服務(wù)器系統(tǒng)框架的設(shè)計
在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的過程中，如何保證服務(wù)器的安全和最大限度地支持更多的客戶端連接是擺在開發(fā)者面前一個重要的問題。為了解決這2大問題，根據(jù)經(jīng)驗，在開發(fā)游戲服務(wù)器的過程中，采用如下的服務(wù)器架構(gòu)可有效解決上述2個問題。
2.1 支持Gate的游戲服務(wù)器架構(gòu)
在該架構(gòu)下，Client和Gate Server相連，而不是直接和Game Server相連。Gate Server主要負責轉(zhuǎn)發(fā)客戶端和Game Server之間的數(shù)據(jù)包，Game Server負責處理游戲的所有邏輯。如圖1所示。
采用該架構(gòu)，有如下幾個優(yōu)點：客戶端通過Gate Setver和游戲服務(wù)器Game Servet相連，Game Server IP對外不可見，這樣Game Server更安全、更不易受攻擊。一個Game Server同樣也可以對應(yīng)若干個Gate Server，當某個Gate Server受攻擊或停機后，其他的Gate Server仍然照常運行，和其他Gate Server相連的客戶端仍然可正常進行游戲；可支持更多的客戶端連接。Gate Server把眾多的客戶端連接分散到多個Game Server中去，而不是獨自來承擔，從而可支持更多的客戶端連接；Gate Server可分擔一部分安全管理工作，減輕Game Server的壓力。例如若某個客戶端在一段時間內(nèi)不發(fā)數(shù)據(jù)包，則把該客戶端踢下線的工作可由Gate Server來完成。 #p#page_title#e#
2.2 軟件功能模塊劃分
在設(shè)計服務(wù)器框架時，有一個基本原則，即框架和通信底層的具體實現(xiàn)需要分離，通信底層的具體實現(xiàn)不影響框架代碼的修改。因為通信底層的具體實現(xiàn)有很多方式，不同操作系統(tǒng)平臺的具體實現(xiàn)差別也很大。例如僅在Windows平臺下就有基于Windows消息機制的、基于事件機制的、也有基于完成端口I／O模型的實現(xiàn)等。采用框架與通信底層相分離的原則，也有利于利用一些成熟的開發(fā)框架，比如使用的ACE框架。這樣，當采用一種新的通信技術(shù)實現(xiàn)通信底層時，則可以不改變服務(wù)器框架，而只需要修改通信底層。在設(shè)計服務(wù)器時按照服務(wù)器框架與通信底層相分離的原則，將服務(wù)器框架設(shè)計為多個模塊。并生成相應(yīng)的動態(tài)鏈接庫以供調(diào)用。軟件模塊框架如圖2所示。
在軟件模塊劃分中，通信底層由線程模塊和通信模塊組成，上層則由同步、聯(lián)機管理和興趣區(qū)管理等模塊組成。其中同步模塊是基于保守／樂觀的同步算法構(gòu)建的服務(wù)器同步子系統(tǒng)，客戶端方面則可以使用航位推測法減少服務(wù)器的發(fā)包頻率。興趣區(qū)管理模塊用于相關(guān)性信息過濾，通過訂購?fù)婕腋信d趣的范圍，可以有效減低網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗和服務(wù)器負載。聯(lián)機管理模塊主要負責數(shù)據(jù)封包中的通信協(xié)議以及數(shù)據(jù)報的壓縮和加密，在數(shù)據(jù)包中采用加密以增加服務(wù)器系統(tǒng)的安全性能，采用壓縮以減少網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗。
3 服務(wù)器系統(tǒng)通信底層的實現(xiàn)
3.1 線程模塊的實現(xiàn)
在設(shè)計線程模塊中使用ACE框架中的ACE_Task類和ACE_Message_Queue來實現(xiàn)主動對象模式，用于處理主動對象，實現(xiàn)多線程處理。傳統(tǒng)的對象是被動的代碼段，對象中的代碼是在對他發(fā)出方法調(diào)用的線程中執(zhí)行的，當方法被調(diào)用時，調(diào)用線程將阻塞，直至調(diào)用結(jié)束。而主動對象卻不一樣。這些對象具有自己的命令執(zhí)行線程，主動對象的方法將在自己的執(zhí)行線程中執(zhí)行，不會阻塞調(diào)用方法。由于主動對象的方法調(diào)用不會阻塞，這樣就提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。
設(shè)計中主動對象繼承ACE_Task，應(yīng)用open進行初始化，并派生線程去循環(huán)判斷方法隊列中是否有方法對象，若隊列不為空則將方法出隊并執(zhí)行。如圖3所示。
在創(chuàng)建任務(wù)和主動對象時，從ACE_Task類派生子類，在子類派生之后，采取以下步驟：
(1)實現(xiàn)服務(wù)初始化和終止方法：open()方法應(yīng)該包含所有專屬于任務(wù)的初始化代碼；close()方法則包含相應(yīng)的終止方法。
(2)調(diào)用啟用(Activation)方法：在主動對象實例化后，必須通過調(diào)用activate()啟用他。在主動對象中創(chuàng)建的線程的數(shù)目，以及其他一些參數(shù)，需傳遞給activate()方法，activate()方法會使sve()方法成為所有他生成的線程的啟動點。
(3)實現(xiàn)服務(wù)專有的處理方法；在主動對象被啟用后，各個新線程在svc()方法中啟動。
并發(fā)策略實現(xiàn)的程序流程如圖4所示：
3.2 通信模塊的實現(xiàn)
3.2.1 反應(yīng)器ACE Reactor和前攝器ACE Proactor
ACE Reactor(反應(yīng)器)和Proactor(前攝器)是可擴展的面向?qū)ο蠖嗦贩蛛x器，他們分派應(yīng)用專有的處理器，以響應(yīng)多種類型的基于I／O、定時器、信號和同步的事件。
ACE_Reactor反應(yīng)器應(yīng)用于同步I／O操作，實現(xiàn)了事件的多路分離與分派，能夠處理多個來源的I／O。使用反應(yīng)器框架，需要執(zhí)行3個步驟：從ACE_Event_Handler派生一個和多個事件處理器類，并定義相應(yīng)的事件處理行為；向ACE_Reactor類登記應(yīng)用的事件處理對象；運行ACE_Reactor事件循環(huán)，事件發(fā)生時回調(diào)事件處理器中的事件處理函數(shù)。 #p#page_title#e#
ACE_Proactor應(yīng)用于異步I／O操作，他與反應(yīng)器不同的是首先等待事件的完成，然后回調(diào)完成后的事件處理。當初始化I／O讀寫后把讀寫交給系統(tǒng)完成，等待事件完成后前攝器會將執(zhí)行I／O結(jié)果返回給對象，并且回調(diào)完成后的事件處理。前攝式模型允許單個應(yīng)用線程同時發(fā)起多個請求。這一設(shè)計允許單線程化應(yīng)用并發(fā)的執(zhí)行多個I／O操作，并且不會帶來與傳統(tǒng)的多線程化機制相關(guān)聯(lián)的開銷或設(shè)計復(fù)雜性。這樣做大大減少了I／O處理時間。
3.2.2 利用前攝器實現(xiàn)高效異步I／O數(shù)據(jù)通信
在實現(xiàn)通信模塊中使用的前攝器模式主要參與者有前攝發(fā)起器、完成處理器、異步操作、異步操作處理器、完成分派器。其結(jié)構(gòu)如圖5所示：
其中，前攝發(fā)起器(服務(wù)器應(yīng)用的主線程)是應(yīng)用中任何發(fā)起異步操作的實體。他將完成處理器和完成分派器登記到異步操作處理器。完成處理器接口用于異步操作完成通知，異步操作則是被用于代表應(yīng)用執(zhí)行請求。當異步操作完成時，異步操作處理器將應(yīng)用通知委托給完成分配器。異步操作是由異步操作處理器來運行直至完成的，該組件通常由操作系統(tǒng)實現(xiàn)。完成分派器負責在異步操作完成時回調(diào)應(yīng)用的完成處理器。當異步操作處理器完成異步發(fā)起的操作時，完成分配器代表應(yīng)用執(zhí)行應(yīng)用回調(diào)。該機制的實現(xiàn)交互圖如圖6所示：
3.2.3 通信連接的建立
在具體通信模塊中，所用到的ACE主要類有異步連接類、服務(wù)處理類、異步操作類和處理結(jié)果類。建立連接的過程為：創(chuàng)建異步主動連接和被動連接子類，在進行異步連接時，創(chuàng)建新的服務(wù)處理類，并將該服務(wù)類傳遞給異步連接類，這樣，數(shù)據(jù)的傳輸就交給服務(wù)類去執(zhí)行。實現(xiàn)服務(wù)處理子類中提供的掛鉤方法，并通過創(chuàng)建ACE_Sock_Stream和異步讀寫流類來進行異步通信。在異步讀寫流初始化時將其注冊到已創(chuàng)建的proactor中，并保存異步讀寫流類的句柄。最后數(shù)據(jù)傳送的結(jié)果和狀態(tài)交給處理結(jié)果類來處理。異步通信的初始化：
(1)分別創(chuàng)建異步主動連接類的派生類和被動連接類的派生類
class TCommandChannelConnectorAcelmpl：public ACE_Asynch_Connector
class TCommandChannelAcceptorAcelmpI：public ACE_Asynch_Acceptor
(2)創(chuàng)建主動連接類對象connector和被動連接類對象acceptor；
(3)對于主動連接，調(diào)用connector.open(…)，并將其注冊到Proactor，由框架自動創(chuàng)建異步通信服務(wù)類，并且自動檢測連接建立狀態(tài)；
(4)對于被動連接，調(diào)用acceptor.open(…)，并將其注冊到Proactor，由框架自動創(chuàng)建異步通信服務(wù)類，并且自動檢測連接建立狀態(tài)，處于等待偵聽狀態(tài)；
整個異步通信機制實現(xiàn)的流程如圖7所示：
3.2.4 ACE_Proactor完成多路分離
ACE_Proactor類負責驅(qū)動前攝器框架的完成處理。要讓異步I／O完成事件處理得以發(fā)生，還需要運行前攝器的事件循環(huán)，其流程圖如圖8所示。
4 結(jié) 語
本文設(shè)計了一種適用于開發(fā)網(wǎng)絡(luò)游戲的服務(wù)器端架構(gòu)，并應(yīng)用ACE框架組件和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計模式完成服務(wù)器底層通信的開發(fā)。ACE作為一種免費開源的中間件，富含網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)編程的實用設(shè)計模式，具有跨平臺等優(yōu)越特性，能夠適合任何通信軟件的開發(fā)。尤其對于網(wǎng)絡(luò)游戲服務(wù)器開發(fā)者而言，ACE無疑是一種值得借鑒的通信框架，具有良好的應(yīng)用前景。 #p#page_title#e#
