面试题：网络编程之基于libevent的WebSocket服务器架构设计

Question

如果让你基于libevent开发一个高性能的WebSocket服务器，在处理并发连接和消息收发时，你会采用怎样的架构设计，包括如何管理连接、分发消息等，并说明这样设计的理由。

Answer 1

架构设计

1. 连接管理：
   • 使用libevent的事件驱动机制，将每个WebSocket连接注册为一个事件。可以采用一个连接池来管理这些连接，连接池的数据结构可以使用链表或哈希表。
   • 例如，使用哈希表，以连接的唯一标识（如socket描述符）作为键，连接对象作为值。这样在查找和删除连接时具有较高的效率。
   • 当有新的连接请求时，通过evconnlistener监听新连接事件，将新连接加入连接池，并为该连接注册读/写事件回调函数。
2. 消息收发：
   • 对于消息接收，当连接上有可读事件触发时，在相应的读回调函数中使用evbuffer来读取数据。evbuffer提供了高效的缓冲管理，能处理不定长的WebSocket消息。
   • 对于消息解析，按照WebSocket协议规范对读取到的缓冲区数据进行解析，将解析后的消息封装成统一的数据结构。
   • 对于消息发送，同样使用evbuffer来构建待发送的消息缓冲区，当连接上有可写事件触发时，在写回调函数中将缓冲区的数据发送出去。
3. 消息分发：
   • 采用一个消息队列来暂存解析后的消息。可以使用线程安全的队列，如std::queue加锁封装，或者使用更高效的无锁队列（如boost::lockfree::queue）。
   • 启动多个工作线程，每个工作线程从消息队列中取出消息进行处理，处理逻辑可能包括业务逻辑处理、消息转发等。

设计理由

1. 连接管理：
   • 使用事件驱动机制和连接池，能有效利用系统资源，避免频繁的内存分配和释放。哈希表的查找和删除操作时间复杂度为O(1)，在处理大量连接时能快速定位和管理连接。evconnlistener是libevent提供的用于监听新连接的便捷工具，与事件驱动模型无缝结合。
2. 消息收发：
   • evbuffer的高效缓冲管理能适应WebSocket消息的不定长特性，减少内存碎片和提高I/O效率。按照协议规范解析消息能保证消息的正确性。基于事件驱动的读写回调函数，能及时响应网络I/O操作，提高服务器的并发处理能力。
3. 消息分发：
   • 消息队列能解耦消息接收和处理逻辑，使系统更具扩展性和稳定性。多工作线程能充分利用多核CPU资源，提高消息处理的并行度，从而提升服务器整体性能。线程安全或无锁队列能保证在多线程环境下数据的一致性和高效访问。