C++并发编程框架Theron（5）——File reader（1）

1 前言
　　在上一篇博文，我主要通过Hello world!的示例，介绍了actors，frameworks，messages和receivers几个构建Theron框架程序的要点。但是Hello world!实例只是一个再简单不过的单actor的应用程序，我们学习Theron框架自然是希望多个actor相互协作来达到多线程开发的目的。在本篇博文中，我们会学习到一个更复杂，更有实际用处的程序示例。
2 File reader
　　File reader示例是创建一个文件服务器，用来为客户端读取来自磁盘文件中的数据。我们要实现的是这样一个消息传递的交互：发送给actor一条消息，告诉它去读取一个文件数据到缓存区，并且随后再返回一条读取完毕的消息。
　　我们可以看到，使用Theron创建这样一个文件服务器可以带来下面几点优势：
　　①、因为文件阅读被表达成actors，它可以与系统剩下的程序同时执行，没有额外的花费。因为使用消息传递机制。所以文件读取时异步而非堵塞的；
　　②、将文件阅读器放置到一个framework中，我们可以创建一个线程池（多个线程）阻塞文件阅读，从而不会饿死系统剩下程序。
　　③、支持更多的并行文件阅读只是意味着增加了更多的相同actor的拷贝，程序实现很简单，但是可以多线程完成很多文件的读取。
　2.1 actor
　　首先，我们创建一个通用的多线程系统形式“Worker”actor，如下：

#include <Theron/Theron.h> template <class WorkMessage> class Worker : public Theron::Actor { public:    // 构造函数     Worker(Theron::Framework &framework) : Theron::Actor(framework)     {         RegisterHandler(this, &Worker::Handler);     } private:    // 消息处理函数     void Handler(const WorkMessage &message, const Theron::Address from)    {         // 消息参数是const，搜易我们需要拷贝它来改变它的性质         WorkMessage result(message);         result.Process();         // 返回线程消息给发送者        Send(result, from);     } };

　　通过它自己，这个actor模板不能做太多事情。当实例化一个具体的WorkMessage类型，它会变成该消息类型的一个处理者（也就是一个线程）。Worker从一个叫作Handler()的消息处理函数中获得处理WorkMessage消息的能力。这个处理函数通过拷贝消息来响应WorkMessage消息，并且在其上执行Process()方法，最后将其返回。重要的一点是，我们将Process()放在一个actor里面被调用，从而使得它能与外面程序一起运行。
　　这块模板类的作用是，使得Worker能够处理许多不一样的消息类型，即重复使用。
　2.2 消息类定义
　　现在让我们写一个ReadRequest消息类型来表示文件读取的请求，ReadRequest对象可以调用一个Process()方法，所以可以作为WorkMesssage被一个Worker所处理。它既会用来请求文件读取，也会用来返回结果，所以它封装关于从磁盘文件读取数据的任何内容，包括实际中数据怎样被读取：

// 数据读取请求: 读取一个磁盘文件的内容到缓存区.struct ReadRequest { public:     explicit ReadRequest(         const Theron::Address client = Theron::Address(),         const char *const fileName = 0,         unsigned char *const buffer = 0,         const unsigned int bufferSize = 0) :       mClient(client),       mFileName(fileName),       mProcessed(false),       mBuffer(buffer),       mBufferSize(bufferSize),       mFileSize(0)     {     }     void Process()     {         mProcessed = true;         mFileSize = 0;         // 尝试打开文件         FILE *const handle = fopen(mFileName, "rb");         if (handle != 0)         {             // 读取数据文件，设置实际读取长度             mFileSize = (uint32_t) fread(                 mBuffer,                 sizeof(unsigned char),                 mBufferSize,                 handle);             fclose(handle);         }     }     Theron::Address mClient;            // 请求客户的地址    const char *mFileName;              // 请求文件的名称     bool mProcessed;                    // 文件是否被读取过    unsigned char *mBuffer;             // 文件内容的缓存区    unsigned int mBufferSize;           // 缓存区的大小    unsigned int mFileSize;             // 文件的字节长度 }; 

　　我们可以使用任何class或者struct作为Theron中的消息，唯一需要注意的是需要严格要求消息类型必须安全地可拷贝。当一个消息被发送，Theron会首先创建一个新的消息拷贝，以此发送端和接收端可以看到不同的拷贝数据，从而避免共用一个消息内存。
　　实际上消息可拷贝是有重要的隐含信息的。它意味着我们消息必须是轻量级的，否则性能会大大的降低。消息中通过指针指向文件名和内存缓冲器，而不是缓冲器本身，这样可以避免大量的数据的拷贝（也就是所谓的浅拷贝）。
　　无论什么时候我们发送一个消息中的指针，我们会访问actor接收消息来接近依靠指针指向的内存地址。因为发送者也可以接近这块内存，其实也是潜在的共享内存。这看似与我们一直强调的避免共享内存相违背，因为这样做非常危险，但是我们仍然在这里这样做是因为使用消息同步接近共享缓存区，可以确保发送端和接收端并不是同一时刻区接近这块缓存区。
　2.3 主函数
　　消息与actor已经创立完毕，下面我们来创建一个简单的main程序来串联起来运行。首先，我们需要创建一个Worker actor，然后发送给它一系列ReadRequest类型的消息（使用命令行读取的），等待处理结果，最后打印输出所有读取文件的细节：

static const int MAX_FILES = 16; static const int MAX_FILE_SIZE = 16384; int main(int argc, char *argv[]) {     if (argc < 2)     {         printf("Expected up to 16 file name arguments.\n");     }     // 创建一个worker去处理工作     Theron::Framework framework;     Worker<ReadRequest> worker(framework);     // 注册一个receiver来捕（catcher）获返回的结果    Theron::Receiver receiver;     Theron::Catcher<ReadRequest> resultCatcher;     receiver.RegisterHandler(&resultCatcher, &Theron::Catcher<ReadRequest>::Push);    // 命令行上每个文件名称作为请求消息    for (int i = 0; i < MAX_FILES && i + 1 < argc; ++i)     {         unsigned char *const buffer = new unsigned char[MAX_FILE_SIZE];         const ReadRequest message(             receiver.GetAddress(),             argv[i + 1],             buffer,             MAX_FILE_SIZE);         framework.Send(message, receiver.GetAddress(), worker.GetAddress());    }     // 等待所有结果     for (int i = 1; i < argc; ++i)     {         receiver.Wait();     }     // 处理结果，我们仅打印文件的名称    ReadRequest result;     Theron::Address from;     while (!resultCatcher.Empty())     {         resultCatcher.Pop(result, from);         printf("Read %d bytes from file '%s'\n", result.FileSize(), result.FileName());        // 释放申请的空间         delete [] result.Buffer();     } } 

　　我们再详细的理一遍整个过程，受我们创建了一个Theron::Framework，这个Framework前面介绍过就是一个管理类来主持actors。
　　接着我们楚江了一个Worker actor模板实例，实例化ReadRequest消息类型。我们将该Worker actor和framework进行绑定，从而可以有效的管理framework中的worker。
　　再接着我们创建了一个Theron::Receiver。这钱Hello world!中已经提及过Receiver是一个帮助类，拥有自己的地址，可以让非actor的代码能够接收来自actors的消息（main函数自然不是actor模式创建的，所以需要一个具体地址来接收来自actor的消息）。Wait()方法可以用来同步等待来自actors的消息。
　　和同步消息一样，Receiver也允许我们处理和检查消息。我们可以像传统类一样注册一个公共的方法作为消息的处理函数。但是在这个案例中我们使用的是Theron::Catcher，它是另一个帮助者，是一个线程安全的队列可以捕获被Receiver收到的所有消息。Catcher的Push()方法可以被注册为一个Receiver的消息处理函数。
3 小结
　　这篇博文我们主要完成了一个读取文件功能的应用，我们接触了三个Theron框架的核心概念：管理actors的Frameworks，让非actor的代码可以接收来自actors的消息的Receivers；以及存储接收自Receivers的消息。
　　但是这个实例到目前为止有一个缺陷，就是尽管Worker可以在一个独立线程异步处理ReadRequests消息，但是它仍然是串联来处理所有的消息。当Worker收到一系列ReadRequests消息的时候，它的Handler()消息处理函数会严格按照顺序依次被执行。实际上，这些请求在Worker的内部消息队列中排列着。下一篇博文我会扩展这个样例，通过写一个Dispatcher actor（actor调度员）来创建和控制一系列Workers来同时并行处理多个请求。
　　以上是个人学习记录，由于能力和时间有限，如果有错误望读者纠正，谢谢！
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　　参考文献：
　　Theron框架官网File reader章节http://www.theron-library.com/index.php?t=page&p=lesson01