重头戏！ZeroMQ的请求-响应模式详解：ZMQ_REP、ZMQ_REQ

一、ØMQ模式总览

• ØMQ支持多种模式，具体可以参阅：https://blog.csdn.net/qq_41453285/article/details/106865539
• 本文介绍ØMQ的“请求-响应”模式

二、请求-响应模式

• 请求-响应模式由http://rfc.zeromq.org/spec:28正式定义
• 请求-应答模式应该是最常见的交互模式，如果连接之后，服务器终止，那么客户端也终止，从崩溃的过程中恢复不太容易
• 因此，做一个可靠的请求-应答模式很复杂，在很后面我们会有一部分系列文章介绍“可靠的请求-应答模式”
• “请求-响应模型”支持的套接字类型有4种：
  • ZMQ_REP
  • ZMQ_REQ
  • ZMQ_DEALER
  • ZMQ_ROUTER

三、“REQ-REP”套接字类型

• 请求-响应模式用于将请求从ZMQ_REQ客户端发送到一个或多个ZMQ_REP服务，并接收对每个发送的请求的后续答复
• REQ-REP套接字对是步调一致的。它们两者的次序必须有规则，不能同时发送或接收，否则无效果

ZMQ_REQ

• 客户端使用ZMQ_REQ类型的套接字向服务发送请求并从服务接收答复
• 此套接字类型仅允许zmq_send(request)和后续zmq_recv(reply)调用交替序列。发送的每个请求都在所有服务中轮流轮询，并且收到的每个答复都与最后发出的请求匹配
• 如果没有可用的服务，则套接字上的任何发送操作都应阻塞，直到至少有一项服务可用为止。REQ套接字不会丢弃消息

ZMQ_REQ特性摘要
兼容的对等套接字	ZMQ_REP、ZMQ_ROUTER
方向	双向
发送/接收模式	发送、接收、发送、接收......
入网路由策略	最后一位（Last peer）
外发路由策略	轮询
静音状态下的操作	阻塞

ZMQ_REP

• 服务使用ZMQ_REP类型的套接字来接收来自客户端的请求并向客户端发送回复
• 此套接字类型仅允许zmq_recv(request)和后续zmq_send(reply)调用的交替序列。接收到的每个请求都从所有客户端中公平排队，并且发送的每个回复都路由到发出最后一个请求的客户端
• 如果原始请求者不再存在，则答复将被静默丢弃

ZMQ_REP特性摘要
兼容的对等套接字	ZMQ_REQ、ZMQ_DEALER
方向	双向
发送/接收模式	接收、发送、接收、发送......
入网路由策略	公平排队
外发路由策略	最后一位（Last peer）

• 演示案例如下：
  • 服务端创建REP套接字，阻塞等待客户端消息的到达，当客户端有消息达到时给客户端回送“World”字符串
  • 客户端创建REP套接字，向服务端发送字符串“Hello”，然后等待服务端回送消息

• 服务端代码如下：

// https://github.com/dongyusheng/csdn-code/blob/master/ZeroMQ/hwserver.c
// hwserver.c
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <zmq.h>// 向socket发送数据, 数据为string
static int s_send(void *socket, char *string);
// 从socket接收数据, 并将数据以字符串的形式返回
static char *s_recv(void *socket);int main()
{// 1.创建上下文void *context = zmq_ctx_new();// 2.创建、绑定套接字void *responder = zmq_socket(context, ZMQ_REP);zmq_bind(responder, "tcp://*:5555");int rc;// 3.循环接收数据、发送数据while(1){// 4.接收数据char *request = s_recv(responder);assert(request != NULL);printf("Request: %s\n", request);free(request);// 休眠1秒再继续回复sleep(1);// 5.回送数据char *reply = "World";rc = s_send(responder, reply);assert(rc > 0);}// 6.关闭套接字、销毁上下文zmq_close(responder);zmq_ctx_destroy(context);return 0;
}static int s_send(void *socket, char *string)
{int rc;zmq_msg_t msg;zmq_msg_init_size(&msg, 5);memcpy(zmq_msg_data(&msg), string, strlen(string));rc = zmq_msg_send(&msg, socket, 0);zmq_msg_close(&msg);return rc;
}static char *s_recv(void *socket)
{int rc;zmq_msg_t msg;zmq_msg_init(&msg);rc = zmq_msg_recv(&msg, socket, 0);if(rc == -1)return NULL;char *string = (char*)malloc(rc + 1);memcpy(string, zmq_msg_data(&msg), rc);zmq_msg_close(&msg);string[rc] = 0;return string;
}

• 还有一个使用C++ API编写的服务端，可参阅：https://github.com/dongyusheng/csdn-code/blob/master/ZeroMQ/hwserver.cpp
• 客户端代码如下：

// https://github.com/dongyusheng/csdn-code/blob/master/ZeroMQ/hwclient.c
// hwclient.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <string.h>
#include <zmq.h>// 向socket发送数据, 数据为string
static int s_send(void *socket, char *string);
// 从socket接收数据, 并将数据以字符串的形式返回
static char *s_recv(void *socket);int main()
{// 1.创建上下文void *context = zmq_ctx_new();// 2.创建套接字、连接服务器void *requester = zmq_socket(context, ZMQ_REQ);zmq_connect(requester, "tcp://localhost:5555");int rc;// 3.循环发送数据、接收数据while(1){// 4.发送数据char *request = "Hello";rc = s_send(requester, request);assert(rc > 0);// 5.接收回复数据char *reply = s_recv(requester);assert(reply != NULL);printf("Reply: %s\n", reply);free(reply);}// 6.关闭套接字、销毁上下文zmq_close(requester);zmq_ctx_destroy(context);return 0;
}static int s_send(void *socket, char *string)
{int rc;zmq_msg_t msg;zmq_msg_init_size(&msg, 5);memcpy(zmq_msg_data(&msg), string, strlen(string));rc = zmq_msg_send(&msg, socket, 0);zmq_msg_close(&msg);return rc;
}static char *s_recv(void *socket)
{int rc;zmq_msg_t msg;zmq_msg_init(&msg);rc = zmq_msg_recv(&msg, socket, 0);if(rc == -1)return NULL;char *string = (char*)malloc(rc + 1);memcpy(string, zmq_msg_data(&msg), rc);zmq_msg_close(&msg);string[rc] = 0;return string;
}

• 编译并运行如下，左侧为服务端，右侧为客户端：

gcc -o hwserver hwserver.c -lzmq
gcc -o hwclient hwclient.c -lzmq

四、“DEALER-ROUTER”套接字类型

• 本文介绍“DEALER-ROUTER”的语法和代理演示案例，在后面的一个专题中我们将介绍如何使用“DEALER-ROUTER”来构建各种异步请求-应答流

ZMQ_DEALER

• ZMQ_DEALER类型的套接字是用于扩展“请求/应答”套接字的高级模式
• 发送消息时：当ZMQ_DEALER套接字由于已达到所有对等点的最高水位而进入静音状态时，或者如果根本没有任何对等点，则套接字上的任何zmq_send()操作都应阻塞，直到静音状态结束或至少一个对等方变得可以发送；消息不会被丢弃
• 接收消息时：发送的每条消息都是在所有连接的对等方之间进行轮询，并且收到的每条消息都是从所有连接的对等方进行公平排队的
• 将ZMQ_DEALER套接字连接到ZMQ_REP套接字时，发送的每个消息都必须包含一个空的消息部分，定界符以及一个或多个主体部分

ZMQ_DEALER特性摘要
兼容的对等套接字	ZMQ_ROUTER、ZMQ_REP、ZMQ_DEALER
方向	双向
发送/接收模式	无限制
入网路由策略	公平排队
外发路由策略	轮询
静音状态下的操作	阻塞

ZMQ_ROUTER

• ZMQ_ROUTER类型的套接字是用于扩展请求/答复套接字的高级套接字类型
• 当收到消息时：ZMQ_ROUTER套接字在将消息传递给应用程序之前，应在消息部分之前包含消息的始发对等方的路由ID。接收到的消息从所有连接的同级之间公平排队
• 发送消息时：
  • ZMQ_ROUTER套接字应删除消息的第一部分，并使用它来确定消息应路由到的对等方的_routing id _。如果该对等点不再存在或从未存在，则该消息将被静默丢弃
  • 但是，如果ZMQ_ROUTER_MANDATORY套接字选项设置为1，这两种情况下套接字都将失败并显示EHOSTUNREACH
• 高水位标记影响：
  • 当ZMQ_ROUTER套接字由于达到所有同位体的高水位线而进入静音状态时，发送到该套接字的任何消息都将被丢弃，直到静音状态结束为止。同样，任何路由到已达到单个高水位标记的对等方的消息也将被丢弃
  • 如果ZMQ_ROUTER_MANDATORY套接字选项设置为1，则在两种情况下套接字都应阻塞或返回EAGAIN
• ZMQ_ROUTER_MANDATORY套接字选项：
  • 当ZMQ_ROUTER套接字的ZMQ_ROUTER_MANDATORY标志设置为1时，套接字应在接收到来自一个或多个对等方的消息后生成ZMQ_POLLIN事件
  • 同样，当至少一个消息可以发送给一个或多个对等方时，套接字将生成ZMQ_POLLOUT事件
• 当ZMQ_REQ套接字连接到ZMQ_ROUTER套接字时，除了始发对等方的路由ID外，每个收到的消息都应包含一个空的定界符消息部分。因此，由应用程序看到的每个接收到的消息的整个结构变为：一个或多个路由ID部分，定界符部分，一个或多个主体部分。将回复发送到ZMQ_REQ套接字时，应用程序必须包括定界符部分

ZMQ_ROUTER特性摘要
兼容的对等套接字	ZMQ_DEALER、ZMQ_REQ、ZMQ_ROUTER
方向	双向
发送/接收模式	无限制
入网路由策略	公平排队
外发路由策略	看上面介绍
静音状态下的操作	丢弃（见上面介绍）

共享队列/代理

• 在“REP-REQ”的演示案例中，我们只有一个客户端和一个服务端进行交流。但是实际中，我们通常允许多个客户端与多个服务端之间相互交流
• 将多个客户端连接到多个服务器的方法有两种：
  • 方法①：将每个客户端都连接到多个服务端点
  • 方法②：使用代理

方法①：

• 原理：一种是将每个客户端套接字连接到多个服务端点。REQ套接字随后会将请求发送到服务端上。比如说一个客户端连接了三个服务端点：A、B、C，之后发送请求R1、R4到服务A上，发送请求R2到服务B上、发送请求R3到服务C上（如下图所示）
• 对于这种设计来说，服务器属于静态部分，客户端属于动态部分，客户端的增减无所谓，但是服务器的增减确实致命的。假设现在有100个客户端都连接了服务器，如果此时新增了三台服务器，为了让客户端识别这新增的三台服务器，那么就需要将所有的客户端都停止重新配置然后再重新启动

方法②：

• 我们可以编写一个小型消息排队代理，使我们具备灵活性
• 原理：该代理绑定到了两个端点，一个用于客户端的前端（ZMQ_ROUTER），另一个用于服务的后端（ZMQ_DEALER）。然后带来使用zmq_poll()来轮询这两个套接字的活动，当有消息时，代理会将消息在两个套接字之间频繁地输送
• 该代理其实并不显式管理任何队列，其只负责消息的传送，ØMQ会自动将消息在每个套接字上进行排队
• 使用zmq_poll()配合DEALER-ROUTER：
  • 在上面我们使用REQ-REP套接字时，会有一个严格同步的请求-响应对话，就是必须客户端先发送一个请求，然后服务端读取请求并发送应答，最后客户端读取应答，如此反复。如果客户端或服务端尝试破坏这种约束（例如，连续发送两个请求，而没有等待响应），那么将返回一个错误
  • 我们的代理必须是非阻塞的，可以使用zmq_poll()来轮询任何一个套接字上的活动，但我们不能使用REQ-REQ。幸运地是，有两个称为DEALER和ROUTER的套接字，它们能我们可以执行无阻塞的请求-响应

• 代理演示案例如下所示：我们扩展了上面的“REQ-REP”演示案例：REQ和ROUTER交流，DEALER与REP交流。代理节点从一个套接字读取消息，并将消息转发到其他套接字

• 客户端的代码如下：将REQ套接字连接到代理的ROUTER节点上，向ROUTER节点发送“Hello”，接收到“World”的回复

// rrclient.c
// https://github.com/dongyusheng/csdn-code/blob/master/ZeroMQ/rrclient.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <zmq.h>// 向socket发送数据, 数据为string
static int s_send(void *socket, char *string);
// 从socket接收数据, 并将数据以字符串的形式返回
static char *s_recv(void *socket);int main()
{int rc;// 1.初始化上下文void *context = zmq_ctx_new();// 2.创建套接字、连接代理的ROUTER端void *requester = zmq_socket(context, ZMQ_REQ);rc = zmq_connect(requester, "tcp://localhost:5559");if(rc == -1){perror("zmq_connect");zmq_close(requester);zmq_ctx_destroy(context);return -1;}// 3.循环发送、接收数据(10次)int request_nbr;for(request_nbr = 0; request_nbr < 10; request_nbr++){// 4.先发送数据rc = s_send(requester, "Hello");if(rc < 0){perror("s_send");zmq_close(requester);zmq_ctx_destroy(context);return -1;}// 5.等待响应char *reply = s_recv(requester);if(reply == NULL){perror("s_recv");free(reply);zmq_close(requester);zmq_ctx_destroy(context);return -1;}printf("Reply[%d]: %s\n", request_nbr + 1, reply);free(reply);}// 6.关闭套接字、销毁上下文zmq_close(requester);zmq_ctx_destroy(context);return 0;
}static int s_send(void *socket, char *string)
{int rc;zmq_msg_t msg;zmq_msg_init_size(&msg, 5);memcpy(zmq_msg_data(&msg), string, strlen(string));rc = zmq_msg_send(&msg, socket, 0);zmq_msg_close(&msg);return rc;
}static char *s_recv(void *socket)
{int rc;zmq_msg_t msg;zmq_msg_init(&msg);rc = zmq_msg_recv(&msg, socket, 0);if(rc == -1)return NULL;char *string = (char*)malloc(rc + 1);memcpy(string, zmq_msg_data(&msg), rc);zmq_msg_close(&msg);string[rc] = 0;return string;
}

• 服务端的代码如下：将REP套接字连接到代理的DEALER节点上

// rrworker.c
// https://github.com/dongyusheng/csdn-code/blob/master/ZeroMQ/rrworker.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <zmq.h>// 向socket发送数据, 数据为string
static int s_send(void *socket, char *string);
// 从socket接收数据, 并将数据以字符串的形式返回
static char *s_recv(void *socket);int main()
{int rc;// 1.初始化上下文void *context = zmq_ctx_new();// 2.创建套接字、连接代理的DEALER端void *responder = zmq_socket(context, ZMQ_REP);rc = zmq_connect(responder, "tcp://localhost:5560");if(rc == -1){perror("zmq_connect");zmq_close(responder);zmq_ctx_destroy(context);return -1;}// 3.循环接收、响应while(1){// 4.先等待接收数据char *request = s_recv(responder);if(request == NULL){perror("s_recv");free(request);zmq_close(responder);zmq_ctx_destroy(context);return -1;}printf("Request: %s\n", request);free(request);// 休眠1秒再进行响应sleep(1);// 5.响应rc = s_send(responder, "World");if(rc < 0){perror("s_send");zmq_close(responder);zmq_ctx_destroy(context);return -1;}}// 6.关闭套接字、销毁上下文zmq_close(responder);zmq_ctx_destroy(context);return 0;
}static int s_send(void *socket, char *string)
{int rc;zmq_msg_t msg;zmq_msg_init_size(&msg, 5);memcpy(zmq_msg_data(&msg), string, strlen(string));rc = zmq_msg_send(&msg, socket, 0);zmq_msg_close(&msg);return rc;
}static char *s_recv(void *socket)
{int rc;zmq_msg_t msg;zmq_msg_init(&msg);rc = zmq_msg_recv(&msg, socket, 0);if(rc == -1)return NULL;char *string = (char*)malloc(rc + 1);memcpy(string, zmq_msg_data(&msg), rc);zmq_msg_close(&msg);string[rc] = 0;return string;
}

• 代理端的代码如下：
  • 创建一个ROUTER套接字与客户端相连接，创建一个DEALER套接字与服务端相连接
  • ROUTER套接字从客户端接收请求数据，并把请求数据发送给服务端
  • DEALER套接字从服务端接收响应数据，并把响应数据发送给客户端

// rrbroker.c
// https://github.com/dongyusheng/csdn-code/blob/master/ZeroMQ/rrbroker.c
#include <stdio.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <zmq.h>int main()
{int rc;// 1.初始化上下文void *context = zmq_ctx_new();// 2.创建、绑定套接字void *frontend = zmq_socket(context, ZMQ_ROUTER);void *backend = zmq_socket(context, ZMQ_DEALER);// ZMQ_ROUTER绑定到5559, 接收客户端的请求rc = zmq_bind(frontend, "tcp://*:5559");if(rc == -1){perror("zmq_bind");zmq_close(frontend);zmq_close(backend);zmq_ctx_destroy(context);return -1;}// ZMQ_DEALER绑定到5560, 接收服务端的回复rc = zmq_bind(backend, "tcp://*:5560");if(rc == -1){perror("zmq_bind");zmq_close(frontend);zmq_close(backend);zmq_ctx_destroy(context);return -1;}// 3.初始化轮询集合zmq_pollitem_t items[] = {{ frontend, 0, ZMQ_POLLIN, 0 },{ backend, 0, ZMQ_POLLIN, 0 }};// 4.在套接字上切换消息while(1){zmq_msg_t msg;//多部分消息检测int more;     // 5.调用zmq_poll轮询消息rc = zmq_poll(items, 2, -1);//zmq_poll出错if(rc == -1)     {perror("zmq_poll");zmq_close(frontend);zmq_close(backend);zmq_ctx_destroy(context);return -1;}//zmq_poll超时else if(rc == 0) continue;else{// 6.如果ROUTER套接字有数据来if(items[0].revents & ZMQ_POLLIN){while(1){// 从ROUTER上接收数据, 这么数据是客户端发送过来的"Hello"zmq_msg_init(&msg);zmq_msg_recv(&msg, frontend, 0);// 查看是否是接收多部分消息, 如果后面还有数据要接收, 那么more会被置为1size_t more_size = sizeof(more);zmq_getsockopt(frontend, ZMQ_RCVMORE, &more, &more_size);// 接收"Hello"之后, 将数据发送到DEALER上, DEALER会将"Hello"发送给服务端zmq_msg_send(&msg, backend, more ? ZMQ_SNDMORE : 0);zmq_msg_close(&msg);// 如果没有多部分数据可以接收了, 那么退出循环if(!more)break;}}// 7.如果DEALER套接字有数据来if(items[1].revents & ZMQ_POLLIN){while(1){// 接收服务端的响应"World"zmq_msg_init(&msg);zmq_msg_recv(&msg, backend, 0);// 查看是否是接收多部分消息, 如果后面还有数据要接收, 那么more会被置为1size_t more_size = sizeof(more);zmq_getsockopt(backend, ZMQ_RCVMORE, &more, &more_size);// 接收"World"之后, 将数据发送到ROUTER上, ROUTER会将"World"发送给客户端zmq_msg_send(&msg, frontend, more ? ZMQ_SNDMORE : 0);zmq_msg_close(&msg);// 如果没有多部分数据可以接收了, 那么退出循环if(!more)break;}}}}// 8.关闭套接字、销毁上下文zmq_close(frontend);zmq_close(backend);zmq_ctx_destroy(context);return 0;
}

• 编译如下：

gcc -o rrclient rrclient.c -lzmq
gcc -o rrworker rrworker.c -lzmq
gcc -o rrbroker rrbroker.c -lzmq

• 一次运行如下，左侧为客户端，中间为代理，右侧为服务端

• 下面运行两个客户端，0为代理，1、2为客户端，3位服务端。可以看到客户端的消息是有顺序到达客户端的，消息会自动进行排队

• ØMQ自己提供了代理的接口zmq_proxy()，可以省略上面代码的书写，详情可参阅：https://blog.csdn.net/qq_41453285/article/details/106887035。

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