基于C++ 无锁队列设计一个网络数据缓冲并顺便解决TCP粘包和应用层协议分包的问题.-Go服务器开发

设计一个基于 C++ 的无锁队列来处理网络数据缓冲，并解决 TCP 粘包和应用层协议分包问题，可以遵循以下步骤。

1. 理解 TCP 粘包和分包

在 TCP 协议中，发送的数据可能会被粘在一起，也可能分成多次发送。因此，我们需要设计一个机制来正确地解析完整的消息。这通常通过定义固定大小的消息头来实现，头部包含了消息的长度信息。

2. 定义消息结构

我们可以定义一个简单的消息格式，例如：

Header (4 bytes): 消息长度（不包括头部）。
Body: 实际的消息内容。

3. 无锁队列实现

使用无锁队列可以提高性能，特别是在高并发环境下。以下是一个基本的无锁队列示例：

#include <atomic>
#include <memory>
#include <queue>
#include <mutex>

template<typename T>
class LockFreeQueue {
public:
    LockFreeQueue() : head_(nullptr), tail_(nullptr) {
        Node* node = new Node();
        head_.store(node);
        tail_.store(node);
    }

    ~LockFreeQueue() {
        while (Node* node = head_.load()) {
            head_.store(node->next);
            delete node;
        }
    }

    void enqueue(const T& value) {
        Node* newNode = new Node(value);
        Node* oldTail = tail_.load();

        while (!tail_.compare_exchange_weak(oldTail, newNode)) {}
        
        oldTail->next.store(newNode);
    }

    bool dequeue(T& result) {
        Node* oldHead = head_.load();
        
        if (oldHead == tail_.load()) { // 队列为空
            return false;
        }
        
        result = oldHead->value;
        
        head_.store(oldHead->next.load());
        
        delete oldHead; // 清理旧节点
        return true;
    }

private:
    struct Node {
        T value;
        std::atomic<Node*> next;

        Node() : next(nullptr) {}
        
        explicit Node(const T& val) : value(val), next(nullptr) {}
    };

    std::atomic<Node*> head_;
    std::atomic<Node*> tail_;
};

4. 网络数据缓冲和解析逻辑

接下来，我们需要实现网络数据缓冲以及解析 TCP 数据流中的完整消息。使用 LockFreeQueue 来存储已解析的完整消息。

#include <iostream>
#include <cstring> // for memcpy
#include <arpa/inet.h> // for ntohl, htonl

const int HEADER_SIZE = sizeof(uint32_t); // Header size for length field.

class NetworkBuffer {
public:
    NetworkBuffer(size_t capacity) : queue_(), buffer_(new char[capacity]), bufferSize_(0) {}

    ~NetworkBuffer() { delete[] buffer_; }

    void onDataReceived(const char* data, size_t length) {
         // 将新数据添加到缓冲区。
         if (bufferSize_ + length > capacity_) { 
             std::cerr << "Buffer overflow!" << std::endl; 
             return; 
         }
         
         memcpy(buffer_ + bufferSize_, data, length);
         bufferSize_ += length;

         parseMessages();
     }

private:
     void parseMessages() {
         size_t processedBytes = 0;

         while (bufferSize_ >= HEADER_SIZE) { // 至少要有头部大小的数据才能读取
             uint32_t messageLength = *reinterpret_cast<uint32_t*>(buffer_);

             if (bufferSize_ >= HEADER_SIZE + messageLength) { // 完整消息已经接收
                 processMessage(buffer_ + HEADER_SIZE, messageLength);

                 processedBytes += HEADER_SIZE + messageLength;

                 // 移动剩余数据到开头.
                 memmove(buffer_, buffer_ + processedBytes, bufferSize_ - processedBytes);
                 bufferSize_ -= processedBytes;
             } else {
                 break; // 没有更多完整的消息可供处理
             }
         }
     }

     void processMessage(const char* message, uint32_t length) {
         std::string msg(message, length);
         queue_.enqueue(msg); 
     }

private:
     LockFreeQueue<std::string> queue_; 
     char* buffer_;  
     size_t bufferSize_;  
     const size_t capacity_;
};

5. 使用示例

以下是如何使用上述组件进行基本测试：

int main() {
    NetworkBuffer networkBuffer(1024);

    const char testMessage[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x04, 'T', 'e', 's', 't'};
    
   networkBuffer.onDataReceived(testMessage, sizeof(testMessage));
   
   return 0;
}