ZMQ和MessagePack的简单使用(转)

近段日子在做一个比较复杂的项目，其中用到了开源软件ZMQ和MessagePack。ZMQ对底层网络通信进行了封装，是一个消息处理队列库，使用起来非常方便。MessagePack是一个基于二进制的对象序列化类库，具有跨语言的特性，同样非常容易使用。在我做的项目中，消息类通过 MessagePack进行压包，然后写入ZMQ的消息结构体，通过ZMQ传递，最后接收者利用MessagePack进行解包，从而分析命令。由于我英语水平实在不高，所以我并没有通过阅读它们的说明文档来对它们进行了解，而仅仅是通过它们的示例代码进行探索。虽然因此遇到了一些不解问题，但这种方式却为我节省了很多时间。不过，对于英语好的人，还是应该通过阅读说明文档来去了解它们。

　　为了说明如何使用它们，在这里构造一个使用场景：有N个Client，一个Server，M个Agent，Client使用ZMQ的请求-响应模式和Server通信，Server收到Client的命令后，通过ZMQ的发布-订阅模式与各个Agent进行通信。下面的代码封装并使用了ZMQ和 MessagePack，为了简便，我把类的定义和实现都写在了头文件。

　　1.对ZMQ的简单封装：

  1 #include"Msgpack.h"
  2 #include<zmq.h>
  3 #include<string>
  4 #include<cassert>
  5 #include<iostream>
  6 
  7 namespace Tool
  8 {
  9     //网络工具类
 10     class Network
 11     {
 12     public:
 13 
 14         // 功能 ：构造函数。
 15         // 参数 ：无。
 16         // 返回 ：无。
 17         Network() : m_socket(NULL) { }
 18 
 19         // 功能 ：初始化socket。
 20         // 参数 ：zmqType表示ZMQ的模式，address表示socket绑定或连接地址。
 21         // 返回 ：true表示初始化成功，false表示失败。
 22         bool Init(int zmqType,const std::string& address)
 23         {
 24             try
 25             {
 26                 m_socket = zmq_socket(Context,zmqType);
 27                 return SetSocket(zmqType,address);
 28             }
 29             catch(...)
 30             {
 31                 std::cout << "Network初始化失败。" << std::endl;
 32                 return false;
 33             }
 34         }
 35 
 36         // 功能 ：发送消息。
 37         // 参数 ：指向Msgpack的指针，isRelease如果为true表示发送消息后即刻释放资源。
 38         // 返回 ：true表示发送成功，false表示发送失败。
 39         bool SendMessage(Msgpack *msgpack,bool isRelease = true) const
 40         {
 41             try
 42             {
 43                 zmq_msg_t msg;
 44                 zmq_msg_init(&msg);
 45                 if(isRelease)
 46                 {
 47                     zmq_msg_init_data(&msg,msgpack->GetSbuf().data(),msgpack->GetSbuf().size(),Tool::Network::Release,msgpack);
 48                 }
 49                 else
 50                 {
 51                     zmq_msg_init_data(&msg,msgpack->GetSbuf().data(),msgpack->GetSbuf().size(),0,0);
 52                 }
 53                 zmq_msg_send(&msg,m_socket,0);
 54                 return true;
 55             }
 56             catch(...)
 57             {
 58                 std::cout << "Network发送失败。" << std::endl;
 59                 return false;
 60             }
 61         }
 62 
 63         // 功能 ：接收消息。
 64         // 参数 ：无。
 65         // 返回 ：指向消息的指针。
 66         zmq_msg_t* ReceiveMessage() const
 67         {
 68             zmq_msg_t *reply = NULL;
 69             try
 70             {
 71                 reply = new zmq_msg_t();
 72                 zmq_msg_init(reply);
 73                 zmq_msg_recv(reply,m_socket,0);
 74                 return reply;
 75             }
 76             catch(...)
 77             {
 78                 if( reply != NULL )
 79                 {
 80                     delete reply;
 81                 }
 82                 return NULL;
 83             }
 84         }
 85 
 86         // 功能 ：关闭消息。
 87         // 参数 ：指向消息的指针。
 88         // 返回 ：无。
 89         void CloseMsg(zmq_msg_t* msg)
 90         {
 91             try
 92             {
 93                 zmq_msg_close(msg);
 94                 msg = NULL;
 95             }
 96             catch(...)
 97             {
 98                 msg = NULL;
 99             }
100         }
101 
102         // 功能 ：析构函数。
103         // 参数 ：无。
104         // 返回 ：无。
105         ~Network()
106         {
107             if( m_socket != NULL )
108             {
109                 zmq_close(m_socket);
110                 m_socket = NULL;
111             }
112         }
113 
114     private:
115 
116         //通信socket
117         void *m_socket;
118 
119         //网络环境
120         static void *Context;
121 
122     private:
123 
124         // 功能 ：设置socket。
125         // 参数 ：zmqType表示ZMQ的模式，address表示socket绑定或连接地址。
126         // 返回 ：true表示设置成功，false表示设置失败。
127         bool SetSocket(int zmqType,const std::string& address)
128         {
129             int result = -1;
130             switch(zmqType)
131             {
132             case ZMQ_REP:
133             case ZMQ_PUB:
134                 result = zmq_bind(m_socket,address.c_str());
135                 break;
136             case ZMQ_REQ:
137                 result = zmq_connect(m_socket,address.c_str());
138                 break;
139             case ZMQ_SUB:
140                 result = zmq_connect(m_socket,address.c_str());
141                 assert(result == 0);
142                 result = zmq_setsockopt(m_socket,ZMQ_SUBSCRIBE,"",0);
143                 break;
144             default:
145                 return false;
146             }
147             assert( result == 0 );
148             return true;
149         }
150 
151         // 功能 ：发送完消息后，释放消息资源。
152         // 参数 ：function为函数地址，hint指向要释放资源的对象。
153         // 返回 ：无。
154         static void Release(void *function, void *hint)
155         {
156             Msgpack *msgpack = (Msgpack*)hint;
157             if( msgpack != NULL )
158             {
159                 delete msgpack;
160                 msgpack = NULL;
161             }
162         }
163     };
164 
165     //整个程序共用一个context
166     void *Tool::Network::Context = zmq_ctx_new();
167 };

　　说明：

　　（1）由zmq_ctx_new创建出来的Context，整个应用程序共用一个就可以了，具体的通信是由zmq_socket创建的socket来完成的。上述代码中没有去释放Context指向的资源。

　　（2）在zmq_msg_init_data函数的参数中，需要传入一个释放资源的函数地址，在ZMQ发送完消息后就调用这个函数来释放资源。如果没有传入这个参数，而且传入的信息是临时变量，那么接收方很有可能接收不到信息，甚至抛出异常。如果不传入这个参数，那么就要记得由自己去释放资源了。

　　2.对MessagePack的简单封装：

  1 #include"BaseMessage.h"
  2 #include"ClientMessage.h"
  3 #include"ServerMessage.h"
  4 #include<zmq.h>
  5 #include<msgpack.hpp>
  6 
  7 namespace Tool
  8 {
  9     using namespace Message;
 10 
 11     //压包/解包工具类
 12     class Msgpack
 13     {
 14     public:
 15 
 16         // 功能 ：构造函数。
 17         // 参数 ：无。
 18         // 返回 ：无。
 19         Msgpack(void) { }
 20 
 21         // 功能 ：析构函数。
 22         // 参数 ：无。
 23         // 返回 ：无。
 24         ~Msgpack(void) { }
 25 
 26         // 功能 ：压包数据。
 27         // 参数 ：要压包的数据。
 28         // 返回 ：true表示压包成功。
 29         template<typename T>
 30         bool Pack(const T& t)
 31         {
 32             try
 33             {
 34                 Release();
 35                 msgpack::pack(m_sbuf,t);
 36                 return true;
 37             }
 38             catch(...)
 39             {
 40                 std::cout << "Msgpack压包数据失败。" << std::endl;
 41                 return false;
 42             }
 43         }
 44 
 45         // 功能 ：解包数据。
 46         // 参数 ：zmq消息体。
 47         // 返回 ：返回指向基类消息的指针。
 48         BaseMessage* Unpack(zmq_msg_t& msg)
 49         {
 50             try
 51             {
 52                 int size = zmq_msg_size(&msg);
 53                 if( size > 0 )
 54                 {
 55                     Release();
 56                     m_sbuf.write((char*)zmq_msg_data(&msg),size);
 57                     size_t offset = 0;
 58                     msgpack::zone z;
 59                     msgpack::object obj;
 60                     msgpack::unpack(m_sbuf.data(),m_sbuf.size(),&offset,&z,&obj);
 61                     return GetMessage(obj);
 62                 }
 63             }
 64             catch(...)
 65             {
 66                 //吃掉异常
 67             }
 68             return NULL;
 69         }
 70 
 71         // 功能 ：获取压包/解包工具。
 72         // 参数 ：无。
 73         // 返回 ：压包/解包工具。
 74         inline msgpack::sbuffer& GetSbuf()
 75         {
 76             return m_sbuf;
 77         }
 78 
 79     private:
 80 
 81         //压包/解包工具
 82         msgpack::sbuffer m_sbuf;
 83 
 84     private:
 85 
 86         // 功能 ：释放上一次的数据资源。
 87         // 参数 ：无。
 88         // 返回 ：无。
 89         void Release()
 90         {
 91             m_sbuf.clear();
 92             m_sbuf.release();
 93         }
 94         
 95         // 功能 ：获取消息。
 96         // 参数 ：用于转换的msgpack::object。
 97         // 返回 ：指向消息基类的指针。
 98         BaseMessage* GetMessage(const msgpack::object& obj)
 99         {
100             BaseMessage bmessage;
101             obj.convert(&bmessage);
102             switch(bmessage.Type)
103             {
104             case 1024:
105                 return Convert<ClientMessage>(obj);
106             case 2048:
107                 return Convert<ServerMessage>(obj);
108             default:
109                 return NULL;
110             }
111         }
112 
113         // 功能 ：将压包后的数据转换为具体的类。
114         // 参数 ：用于转换的msgpack::object。
115         // 返回 ：指向T的指针。
116         template<typename T>
117         T* Convert(const msgpack::object& obj)
118         {
119             T *t = new T();
120             obj.convert(t);
121             return t;
122         }
123     };
124 };

　　说明：

　　压包时将zmq_msg_t消息体压包到msgpack::sbuffer，然后就可以关闭这个消息体了。要将解包后的数据转换成具体的某一个类，需要知道这个类是什么类，这里有三种方法：

　　（1）可以先发送一个消息告知接收者即将收到什么消息，然后接收者将消息解包后转换成对应的类。这种方式需要额外的一次通信，不建议使用。

　　（2）所有的消息都继承自一个基类，这个基类存储有消息类型的字段。解包后，先将数据转换为基类，然后根据类型再转换为具体的派生类。这种方式需要多转换一次，上面的代码也正是采用这种方式。

　　（3）压包时先压包一个消息类，然后再压包一个标识这个消息是什么类型的标识类，即压包两次。解包时，先解包标识类，得知消息类的具体类型，然后再解包消息类，即解包两次，转换两次。与（2）相比，除了要做更多的压包、解包工作外，这里还需要对解包的偏移量进行计算，否则容易出错。

　　3.使用到的消息类：

namespace Message
{
    //消息基类
    class  BaseMessage
    {
    public:

        MSGPACK_DEFINE(Type);

        //消息类型
        int Type;

        //默认构造函数
        BaseMessage()
        {
            Type = 0;
        }
    };

    //来自客户端的消息
    class ClientMessage : public BaseMessage
    {
    public:

        MSGPACK_DEFINE(Type,Information);

        //信息
        std::string Information;

        //默认构造函数
        ClientMessage()
        {
            Type = 1024;
        }
    };

    //来自服务端的消息
    class ServerMessage : public BaseMessage
    {
    public:

        MSGPACK_DEFINE(Type,Information);

        //信息
        std::vector<std::string> Information;

        //默认构造函数
        ServerMessage()
        {
            Type = 2048;
        }
    };
};

　　说明：

　　（1）MSPACK_DEFINE标识了一个类的哪些成员可以进行压包/解包。派生类中的MSGPACK_DEFINE还需要写上基类的成员，否则无法使用对MessagePack封装说明的第二个方法。

　　（2）C++版本的MessagePack压/解包的数据成员，只能是一个类、结构或者联合体，不能使用指针（包括boost库的智能指针）、数组，枚举值也不适用。因此，BaseMessage使用int值来标识派生类属于哪个类型。C#版本的MessagePack可以对枚举值进行压包。

　　4.Client的示例代码：

 1 int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
 2 {
 3     Network network;
 4     bool result = network.Init(ZMQ_REQ,"tcp://192.168.10.179:8888");
 5     if(result)
 6     {
 7         ClientMessage cmessage;
 8         cmessage.Information = "I come form Client.";
 9 
10         Msgpack msgpack;
11         result = msgpack.Pack<ClientMessage>(cmessage);
12         if(result)
13         {
14             result = network.SendMessageW(&msgpack,false);
15             if(result)
16             {
17                 zmq_msg_t *msg = network.ReceiveMessage();
18                 if( msg != NULL )
19                 {
20                     BaseMessage *bmessage = msgpack.Unpack(*msg);
21                     network.CloseMsg(msg);
22                     if( bmessage != NULL && bmessage->Type == 2048 )
23                     {
24                         ServerMessage *smessage = static_cast<ServerMessage*>(bmessage);
25                         if( smessage != NULL && smessage->Information.size() > 0 )
26                         {
27                             std::cout << smessage->Information[0] << std::endl;
28                         }
29                         delete smessage;
30                         smessage = NULL;
31                         bmessage = NULL;
32                     }
33                 }
34             }
35         }
36     }
37 
38     system("pause");
39     return 0;
40 }

　　5.Server的示例代码：

 1 int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
 2 {
 3     Network responder;
 4     bool result = responder.Init(ZMQ_REP,"tcp://192.168.10.179:8888");
 5     if(result)
 6     {
 7         Network publisher;
 8         result = publisher.Init(ZMQ_PUB,"tcp://192.168.10.179:9999");
 9         if(result)
10         {
11             Msgpack msgpack;
12             while(true)
13             {
14                 zmq_msg_t *msg = responder.ReceiveMessage();
15                 BaseMessage *bmessage = msgpack.Unpack(*msg);
16                 responder.CloseMsg(msg);
17 
18                 ServerMessage smessage;
19                 smessage.Information.push_back("I come from Server.");
20                 msgpack.Pack<ServerMessage>(smessage);
21                 result = responder.SendMessageW(&msgpack,false);
22 
23                 if( result )
24                 {
25                     if( bmessage != NULL && bmessage->Type == 1024 )
26                     {
27                         ClientMessage *cmessage = static_cast<ClientMessage*>(bmessage);
28                         if( cmessage != NULL )
29                         {
30                             std::cout << cmessage->Information << std::endl;
31                             for( int counter = 0 ; counter < 100 ; counter++ )
32                             {
33                                 publisher.SendMessageW(&msgpack,false);
34                             }
35                         }
36                         delete cmessage;
37                         cmessage = NULL;
38                         bmessage = NULL;
39                     }
40                 }
41             }
42         }
43     }
44 
45     return 0;
46 }

　　6.Agent的示例代码：

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    Network network;
    bool result = network.Init(ZMQ_SUB,"tcp://192.168.10.179:9999");
    if(result)
    {
        zmq_msg_t *msg = network.ReceiveMessage();
        if( msg != NULL )
        {
            Msgpack msgpack;
            BaseMessage *bmessage = msgpack.Unpack(*msg);
            network.CloseMsg(msg);
            if( bmessage->Type == 2048 )
            {
                ServerMessage *smessage = static_cast<ServerMessage*>(bmessage);
                if( smessage->Information.size() > 0 )
                {
                    std::cout << smessage->Information[0] << std::endl;
                }
                delete smessage;
                smessage = NULL;
                bmessage = NULL;
            }
        }
    }

    system("pause");
    return 0;
}

　　7.启动这三个程序，Client将要发送的消息压包后发给Server，Server接收到消息后反馈一个信息给Client，然后循环发布消息给Agent，Agent不需要回复Server。最后着重说明两点：

　　（1）ZMQ创建的socket发送数据和接收数据要处在同一条线程。Server接收到Client的数据后，不能通过开一条线程来给Client反馈信息，必须要在接收数据的线程中反馈信息。

　　（2）ZMQ并不要求发送者和接收者有一定的启动顺序，但在Server中如果只发布一次消息，那么Agent很有可能收不到信息。不管是 Agent先启动，还是Server先启动，Agent都有可能收不到信息。在Server的代码中，通过循环发布一百次，来让Agent收到信息。至于实际应用中，可以结合请求-响应模式来保证订阅消息者都收到了发布者的消息。

参考资料：

ZMQ：http://zguide.zeromq.org/page:all

MessagePack：http://wiki.msgpack.org/pages/viewpage.action?pageId=1081387#QuickStartforC%2B%2B-ImplementationStatus

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