客户端应用程序实现指南

### 客户端应用程序实现指南 #### 1. 客户端与服务器概述 在分布式应用中，客户端和服务器是两个重要的组成部分。客户端的主要目的是使用服务器提供的服务，它会主动发起与服务器的通信会话。而服务器则被动等待客户端的请求，接收到请求后执行相应操作，并将操作结果作为响应返回给客户端。 #### 2. 客户端应用程序的分类 客户端应用程序可以从两个维度进行分类： - **按传输层协议分类**： - **UDP 客户端**：使用 UDP 协议与服务器通信。 - **TCP 客户端**：使用 TCP 协议与服务器通信。 选择传输层协议应在应用程序设计早期根据应用规范来决定，因为 TCP 和 UDP 协议概念不同，后期切换可能会很困难。 - **按同步异步分类**： - **同步客户端**：使用同步套接字 API 调用，这些调用会阻塞执行线程，直到请求操作完成或出现错误。例如，典型的同步 TCP 客户端会使用 `asio::ip::tcp::socket::write_some()` 方法或 `asio::write()` 自由函数发送请求，使用 `asio::ip::tcp::socket::read_some()` 方法或 `asio::read()` 自由函数接收响应。 - **异步客户端**：使用异步套接字 API 调用。例如，异步 TCP 客户端可能使用 `asio::ip::tcp::socket::async_write_some()` 方法或 `asio::async_write()` 自由函数发送请求，使用 `asio::ip::tcp::socket::async_read_some()` 方法或 `asio::async_read()` 自由函数异步接收响应。 在应用程序设计阶段，应根据对应用需求的仔细分析来决定采用同步还是异步方法，同时要考虑应用的可能演变路径和未来可能出现的新需求。 #### 3. 同步与异步方法的比较 - **同步方法**： - **优点**：简单易开发、调试和维护。与功能相同的异步客户端相比，同步客户端不需要额外的数据结构来保存请求上下文和回调函数，也不需要进行线程同步等操作，因此在某些情况下效率更高。 - **缺点**：有功能限制，无法在同步操作开始后取消操作，也不能为操作设置超时。 - **异步方法**： - **优点**：可以在操作开始后随时取消，并能设置超时。在处理多个并行请求时，异步方法可以让线程在请求传输和服务器处理期间执行其他请求的准备或响应处理阶段，提高线程利用率，从而提高应用程序的整体性能。 - **缺点**：结构复杂，需要额外的数据结构和线程同步操作，会带来额外的计算和内存开销。 以下是同步和异步方法在不同场景下的比较表格： | 比较维度 | 同步方法 | 异步方法 | | ---- | ---- | ---- | | 复杂度 | 低，易开发、调试和维护 | 高，涉及额外数据结构和线程同步 | | 功能限制 | 无法取消操作，不能设置超时 | 可随时取消操作，能设置超时 | | 并行请求效率 | 线程利用率低 | 线程利用率高 | | 开销 | 低 | 高 | #### 4. 请求生命周期分析 从客户端应用程序的角度来看，一个请求的生命周期通常包括以下五个阶段： 1. **准备请求**：进行准备请求消息所需的任何操作，如读取网站地址并构造符合 HTTP 协议的请求字符串。该阶段的持续时间取决于应用程序要解决的具体问题。 2. **从客户端向服务器传输请求**：将请求数据通过网络传输到服务器。此阶段的持续时间取决于网络的属性和当前状态。 3. **服务器处理请求**：服务器执行请求的操作，如构建网页，可能涉及文件读取和数据库数据加载等 I/O 操作。该阶段的持续时间取决于服务器的属性和当前负载。 4. **从服务器向客户端传输响应**：将服务器的响应数据通过网络传输回客户端。此阶段的持续时间同样取决于网络的属性和状态。 5. **客户端处理响应**：客户端对服务器的响应进行处理，如扫描网页、提取信息并存储到数据库。该阶段的持续时间取决于客户端应用程序的具体任务。 为了简化分析，我们忽略了连接建立和关闭等底层子阶段。可以看出，客户端仅在阶段 1 和阶段 5 进行与请求相关的有效工作，在阶段 2、3、4 客户端需要等待。 下面是请求生命周期的 mermaid 流程图： ```mermaid graph LR A[准备请求] --> B[传输请求到服务器] B --> C[服务器处理请求] C --> D[传输响应到客户端] D --> E[客户端处理响应] ``` #### 5. 示例协议 在后续的实现示例中，假设客户端与服务器使用以下简单的应用层协议进行通信： - **请求格式**：`EMULATE_LONG_COMP_OP [s]<LF>`，其中 `[s]` 是一个正整数值，`<LF>` 是 ASCII 换行符。例如，`"EMULATE_LONG_COMP_OP 10\n"` 表示客户端希望服务器执行一个持续 10 秒的虚拟操作。 - **响应格式**：服务器返回的响应也是 ASCII 字符串。如果操作成功，响应为 `OK<LF>`；如果操作失败，响应为 `ERROR<LF>`。 #### 6. 同步 TCP 客户端的实现 同步 TCP 客户端是分布式应用的一部分，它遵循以下规则： - 在客户端 - 服务器通信模型中充当客户端。 - 使用 TCP 协议与服务器应用程序通信。 - 使用 I/O 和控制操作（至少与服务器通信相关的 I/O 操作），这些操作会阻塞执行线程，直到相应操作完成或出现错误。 典型的同步 TCP 客户端按照以下算法工作： 1. 获取服务器应用程序的 IP 地址和协议端口号。 2. 分配一个活动套接字。 3. 与服务器应用程序建立连接。 4. 与服务器交换消息。 5. 关闭连接。 6. 释放套接字。 以下是使用 Boost.Asio 实现同步 TCP 客户端的代码示例： ```cpp #include <boost/asio.hpp> #include <iostream> using namespace boost; class SyncTCPClient { public: SyncTCPClient(const std::string& raw_ip_address, unsigned short port_num) : m_ep(asio::ip::address::from_string(raw_ip_address), port_num), m_sock(m_ios) { m_sock.open(m_ep.protocol()); } void connect() { m_sock.connect(m_ep); } void close() { m_sock.shutdown( boost::asio::ip::tcp::socket::shutdown_both); m_sock.close(); } std::string emulateLongComputationOp( unsigned int duration_sec) { std::string request = "EMULATE_LONG_COMP_OP " + std::to_string(duration_sec) + "\n"; sendRequest(request); return receiveResponse(); }; private: void sendRequest(const std::string& request) { asio::write(m_sock, asio::buffer(request)); } std::string receiveResponse() { asio::streambuf buf; asio::read_until(m_sock, buf, '\n'); std::istream input(&buf); std::string response; std::getline(input, response); return response; } private: a ```