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学之者生,用之者死——ACE历史与简评

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之所以摘录,是因为感动。

 

学之者生,用之者死——ACE历史与简评

陈硕 (giantchen_AT_gmail)

Blog.csdn.net/Solstice

2010 March 10

ACE 是现代面向对象网络编程的鼻祖,确立了许多重要模式,如 Reactor、Acceptor 等,重要到我们甚至觉得网络编程就应该是那样的。但为什么 ACE 叫好不叫座?大名鼎鼎却使用者寥寥?本文谈谈我的个人观点。

ACE 是一套重量级的 C++ 网络库,早期版本由 Douglas Schmidt 独自开发,后来有 40 余名学生与工作人员也贡献了大量代码。作者 Douglas Schmidt 凭借它发表了 30 余篇学术论文。ACE 的一大特点是融合了 Douglas Schmidt 提出的很多面向对象网络编程的设计模式,并且具有不可思议的跨平台能力

1 ACE 历史

先说说 ACE 之父 Douglas Schmidt 的个人经历

我相信 ACE 是 Douglas 在读博期间的主要工作,ACE 这个名字最早出现在 1993 年 12 月的一篇会议论文上,Douglas 的这篇文章获得了“最佳学生论文”奖。在此之前,Douglas 已经用 ASX 等其他名字发表了内容相近的文章。

我 能下载到的最早的 ACE 版本是 4.0.32,有大约 86,000 行 C++ 代码,代码的时间戳是 1998 年 10 月 22 日。早期 ACE 由 Douglas Schmidt 个人独立开发,从 ChangeLog 得知,1993 年 11 月 ACE 的版本号是 2.12。到了 1995 年 9 月,才有第一次出现其他开发者。在 1993~1996 年间的 684 次改动中,Douglas 一个人贡献了 529 次,另外几个主要开发者以及他们的修改次数分别是 Prashant Jain (58)、Tim Harrison (42)、David Levine (28)、Irfan Pyarali (20)、Jesper S. M|ller (5)。

从整个 ChangeLog 看,从 1993 年到 2010 年 3 月有 19,000 余次改动。有超过 200 人修改过代码,其中 23 个人的 check-in 次数大于 100,排名前 12 的代码修改者为:

   3635  Johnny Willemsen (活跃年份:2001~今)

   2586  Douglas C. Schmidt(原作者,活跃年份:1993~今)

   1861  Steve Huston (活跃年份:1997~今)

   1197  David L. Levine  (活跃年份:1996~2000)

    962  Nanbor Wang  (活跃年份:1998~2003)

    907  Ossama Othman (活跃年份:1999~2005)

    865  Chad Elliott (活跃年份:2000~今)

    823  Bala Natarajan (活跃年份:1999~2004)

    708  Carlos O'Ryan (活跃年份:1997~2001)

    544  J.T. Conklin (活跃年份:2004~2008)

    479  Irfan Pyarali (活跃年份:1996~2003)

    368  Darrell Brunsch (活跃年份:1997~2001)

看到这些“活跃年份”,你的第一反应是什么?我想到的是,这些人会不会多半是 Douglas 指导的研究生?我猜他们在读研期间参与改进 ACE,把工作内容写成论文发表,然后毕业走人。或许这能解释 ACE 代码风格的多样性。

在浏览代码历史的过程中,我还发现一个很有意思的现象,在 2008 年 3 月 4 日,某人不小心把整个 ACE 的源代码树删除了:

https://svn.dre.vanderbilt.edu/viewvc/Middleware?view=revision&revision=80824

随后又很快恢复:

https://svn.dre.vanderbilt.edu/viewvc/Middleware?view=revision&revision=80826

干这件事情的老兄在 2005~2009 这几年里一共 check in 了 120 余次。你对这件事情怎么看?你们的开发团队里有这样的人吗?

2 事实与思考

1. 除了 Douglas Schmidt 和 Stephen Huston 写的三本书籍之外,没有其他专著讲 ACE。

究竟是 ACE 太好用了,以至于无需其他书来讲解,还是太难用了,讲也讲不明白?抑或根本就没人在乎?

C++ 网络编程 第1卷》《C++ 网络编程 第2卷》《ACE 程序员指南》 这三本书先后于 2001、2002、2003 年出版,之后再无更新。在同一时期,同样在网络编程领域,尽管 W. Richard Stevens 在 1999 年去世,他的 UNP 和 APUE 仍然由别人续写了新版。讲 C 语言 Sockets API 的书尚且不断更新,上层封装的 C++ 居然无动于衷?真的是封装到位了,屏蔽了这些变化?

UNP 的可操作性很强,读前面几章,就能上手编写简单的网络程序,看完大半本书,网络编程基本就算入门了,能编写一般应用的网络程序。相反,读完 ACE 那几本书,对于简单的网络编程任务还是感觉无从下手,这是因为书写得不好,还是 ACE 本身不好用?

2. ACE 很难用,非常容易用错

我 不止听到一个人对我说,他们在项目里尝试过 ACE,不是中途放弃,因为出了问题无法解决;就是勉强交差,并且从下一个项目起坚决不用。我听到的另一个说法是,ACE 教程的例子必须原封不动地抄下来,改一点点就会出漏子。不巧的是,ACE 的例子举来举去就是个 Logging 服务器,让人想照猫画虎也无从下手。在最近的《代码之美》一书中,Douglas Schmidt 再次拿它为例,说明他真的很喜欢这个例子。

用 ACE 编程如履薄冰,生怕在阴沟里翻船,不知道它背后玩了什么把戏。相反,用 10 来个 Sockets 系统调用就能搞定网络编程,我感觉比使用 ACE 难度要小。为什么“高级”工具反而没有低级工具顺手呢?

不好用的直接后果是少有人用,放眼望去,目前涉及网络的 C++ 开源项目里边,鲜有用 ACE 作为通信平台的(我知道的只有 Mangos)。相反,libevent 这个轻量级的 IO multiplexing 库有 memcached 这样的著名用户。

3. ACE 代码质量不高,更像是一个研究项目,而不是工业界的产品

读 ACE 现在的代码,一股学生气扑面而来,感觉像在读实习生写的代码。抛开编码风格不谈,这里举三个“硬伤”:

  • sleep < 2ms

在某些早期的 Linux 内核上,如果 select/poll 的等待时间小于 2ms,内核会采用 busy-waiting。这是极大的 CPU 资源浪费,而 ACE 似乎没有考虑避免这一点。

  • Linux TCP self-connection

Linux 的 TCP 实现有一个特殊“行为”,在某些特殊情况下会发起自连接。而 Linux 网络协议栈的维护者认为这是一个 feature,不是 bug,拒绝修复。通常网络应用程序不希望出现这种情况,我见过的好的网络库会有意识地检查并断开这种连接,然而 ACE 漠然视之。

  • timeval on 64-bit

ACE_Time_Value 类直接以 struct timeval 为成员变量,保存从 Epoch 开始的微秒数。这在 32-bit 下没问题,对象大小是 8 字节。到了 LP64 模式的 64-bit 平台,比如 Linux,对象大小变为 16 字节,这么做就不够好了。我们可以直接用 int64_t 来保存这个以微秒为单位的时间,64-bit 整数能存下上下 30 万年,足够用了。减小对象大小并不是为了节约几个字节的内存,而是方便函数参数传递。在 x86-64 上,这种 8 字节的结构体可以用 64-bit 寄存器直接传参,也就是说 pass by value 会比 pass by reference 更快。对于一般的应用程序而言,要不要这么做值得商榷。对于底层的 C++ 网络库,不加区分地使用 pass by reference 会让人怀疑作者知其然不知其所以然。

对于以上几点情况,我怀疑 ACE 根本没用在 Linux 大规模生产环境下使用过,我只能期望它在别的平台表现好一些了。ACE 的作者们似乎更注重验证新想法,然后发论文,而不是把它放到工业环境中反复锤炼,打造为靠得住的产品。(类似 Minix 与 Linux 的关系。)

4. 移植性很好,支持我知道的和不知道的很多平台

ACE 的意义在于让我们明白了C++代码可以做到可移植,并展示了这么做会付出多么巨大的代价。不细说了,读过 ACE 代码的人都明白。

从代码质量上看,ACE 做到了能在这些平台上运行,但似乎没有在哪个平台占据主导地位。有没有哪个平台的网络编程首选 ACE?

出现这一状况的原因是,跨平台和高性能是矛盾的。跨平台意味着要抽象出多个平台的共性,以最 general 的方式编写上层代码。而高性能则要求充分发挥平台的特性,剑走偏锋,用尽平台能提供的一切加速手段,哪怕与其他平台不兼容。网络编程对此尤为敏感。

我 不知道 ACE 的性能如何,因为在各项性能评测榜上基本看不到它的名字(c10k 里就没有 ACE 的身影)。另外,Buffer class 的好坏直接反应了网络库对性能的追求,ACE 提供了比 std::deque<uint8_t> 更好的输入输出 Buffer 吗?(我不是说 deque 有多好,它基本是 fail-safe 的选择而已。)

5. ACE 过于复杂,甚至比它试图封装的对象更复杂。

(这里的代码行数均为 wc 命令的粗略估计。)

ACE 5.7 自身(不含 TAO 和 CIAO)有 30 万行 C++ 代码(Douglas 自己给出的数据是 25 万行,可能指的是略早的版本),这是一个什么概念呢?我们来看 TCP/IP 协议栈本身的实现有多少行:(均不含 IPv6)

  • TCPv2 列出的 BSD4.4-Lite 完整 TCP/IP 协议栈代码有 15,000 行,其中 4,500 行 TCP 协议,800 行 UDP 协议,2,500 行 IP 协议  
  • Linux 1.2.13 完整的 TCP/IP 协议栈有 2 万多行 (net/inet)  
  • Linux 2.6.32.9 的 TCP/IP 协议栈有 6 万多行 (net/ipv4)  
  • FreeBSD 8.0 的 TCP/IP 协议栈有 5 万多行 (sys/netinet, 不含 sctp)

换句话说,ACE 用 30 万行 C++ 代码“封装”了不到 10 万行 C 代码(且不论 C++ 代码的信息密度比 C 大),这是不是头重脚轻呢?我理解的“封装”是把复杂的东西变简单,但 ACE 好像走向了另一个方向,把不那么复杂的东西变复杂了。

这个对比数字可能不太准确,因为 ACE 还封装了很多其他东西,请看。http://www.dre.vanderbilt.edu/Doxygen/5.7.7/html/ace/inherits.htmlhttp://www.dre.vanderbilt.edu/Doxygen/5.7.7/html/ace/hierarchy.html

以下两张类的继承关系图片请在新窗口打开:

http://www.dre.vanderbilt.edu/Doxygen/5.7.7/html/ace/a06178.png

http://www.dre.vanderbilt.edu/Doxygen/5.7.7/html/ace/a06347.png

Douglas 说 ACE 包含了 40 人年的工作量, 对此我毫不怀疑。但是,网络编程真的需要这么复杂吗?TCP/IP 协议栈的实现也没这么多工作量嘛。或许只有 CORBA 这样的应用才会用到这么复杂的东西?那么为什么 ICE 在重新实现 CORBA 的时候没有基于 ACE 呢?是不是因为 ACE 架子拉得大,底子并不牢?

3 ACE 的意义

ACE 对于面向对象、设计模式和网络编程具有重大历史和现实意义。

ACE 诞生之时,正是 90 年代初期面向对象技术的高速发展期,ACE 一定程度上是作为面向对象技术的成功案例来宣传的。

在 1994 年前后,Unix 分为两个阵营,AT&T 的 SVR4 与 BSD 的 BSD4.x,这两家的 IO multiplexing 不完全兼容。比如 SVR4 提供 poll 调用,而 BSD 提供 select 调用。ACE 当时的宣传点之一是用面向对象技术屏蔽了两个平台的差异,提供了统一的 Reactor 接口。

【接下来,poll 在 1996 年 9 月 7 号加入 NetBSD,并随 NetBSD 1.3 于 1998 年 1 月 4 号发布。随后 FreeBSD 3.0 也支持 poll,1998 年 10 月发布。Linux 很早就支持 select,从 2.1.23 内核起支持 poll,发布日期为 1997 年 1 月 26 号。也就是说,到了 1998 年,平台差异被暂时抹平了。随后 epoll、/dev/poll、kqueue 以性能为名,再次扩大了平台差异。当然,Windows 至今不支持 poll。】

ACE 的设计似乎过于强调面向对象的灵活性,一些不该使用虚函数的地方也提供了定制点,比如 ACE_Timer_Queue 就应是个具体类,而不是允许用户 override schedule/cancel/expire 之类的操作。面向对象中,“继承”的目的是为了被复用,而不是去复用基类的代码。

查其文献,Reactor 在 1993 年登上《C++ Report》杂志的时候,文章标题还比较朴素,挂着“面向对象”的旗号:

转眼到了 1994 年,也就是《设计模式》成书的那一年,Douglas 开始写文章言必称 pattern:

似 乎 "pattern" 这个字样成了发文章的通行证,这股风气直到 2000 左右才刹住。之后这些论文集结出版,以《Pattern-Oriented Software Architecture》为名出了好几本书,ACE 的内容主要集中在第二卷。(请留意,原来的提法是 Object-Oriented,现在变成了 Pattern-Oriented,似乎软件开发就应该像糖果厂生产绿豆糕,用模子一个个印出来完事。)

ACE 就像一个 pattern 大观园,保守估计有 10 来种 patterns 藏身其中,形成了一套模式语言(《Applying a Pattern Language to Develop Application-level Gateways》),这还不包括 GoF 定义的一般意义下的 OO pattern。

通过 ACE 来学习网络编程,那是本末倒置,因为它教不了你任何 UNP 以外的知识。(Windows 网络编程?)

然 而,如果要用面向对象的方式来搞网络编程,那么 ACE 的思想(而不是代码)是值得效仿的,毕竟它饱含了 Douglas Schmidt 等学者的心血与智慧。学得好的例子有 Apache Mina、JBoss Netty、Python Twisted、Perl POE 等等。

这就是我说“学之者生,用之者死”的含义。

4 ACE 文献导读

Douglas Schmidt 写了很多 ACE 的文章,其中不乏内容相近的作品。读他的文章,首选发表在技术杂志上的文章(比如 C++ Report),而不是发表在学术期刊或会议上的论文。前者的写作目的是教会读者技术,后者则往往是展示作者的新思路新想法,技术文章比学术论文要好读得多。

由于当时面向对象技术尚在发展,Douglas 文章里的图形很有特色,不是现在规范的 UML 图(那会儿 UML 还没定型呢),而是像变形虫一样的类图(经 pinxue 指出,这种图是 Grady Booch 发明的),放在一堆文献里也很容易认出来。

如果要用 ACE 的代码来验证文章的思路,我建议阅读和文章同时期的 4.0 版本代码,代码风格比较统一,代码量也不大,便于理解。

下面介绍几篇有代表性的论文。

以上两篇文章实际上内容基本相同,都是对 ACE 的概要介绍,看第二篇即可,第一次没看懂也没关系。

剩下要看的是一篇 Socket OO 封装、四篇 Reactor、三篇 Acceptor-Connector、一篇 Proactor。这些文章前面大多都给了链接,其余的这里补充一下:

不想看这 10 篇论文的话,读中译本《C++ 网络编程 第1卷》《C++ 网络编程 第2卷》《ACE 程序员指南》也行,翻译质量都不错。

5 设想中的 C++ 网络库

与文章主旨无关,略。

我觉得网络库要解决现实的问题,满足现实的需要,而不是把 features/patterns 堆在那里等别人来用。应该先有应用,再提炼出库。而不是先造库,然后寻求应用。

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