教你从头写游戏服务器框架-深蓝源码网

前言

大概已经有差不多一年没写技术文章了，原因是今年投入了一些具体游戏项目的开发。这些新的游戏项目，比较接近独立游戏的开发方式。我觉得公司的“祖传”服务器框架技术不太适合，所以从头写了一个游戏服务器端的框架，以便获得更好的开发效率和灵活性。现在项目将近上线，有时间就想总结一下，这样一个游戏服务器框架的设计和实现过程。

这个框架的基本运行环境是 Linux ，采用 C++ 编写。为了能在各种环境上运行和使用，所以采用了 gcc 4.8 这个“古老”的编译器，以 C99 规范开发。

需求

由于“越通用的代码，就是越没用的代码”，所以在设计之初，我就认为应该使用分层的模式来构建整个系统。按照游戏服务器的一般需求划分，最基本的可以分为两层：

1. 底层基础功能：包括通信、持久化等非常通用的部分，关注的是性能、易用性、扩展性等指标。
2. 高层逻辑功能：包括具体的游戏逻辑，针对不同的游戏会有不同的设计。

我希望能有一个基本完整的“底层基础功能”的框架，可以被复用于多个不同的游戏。由于目标是开发一个 适合独立游戏开发 的游戏服务器框架。所以最基本的需求分析为：

功能性需求

1. 并发：所有的服务器程序，都会碰到这个基本的问题：如何处理并发处理。一般来说，会有多线程、异步两种技术。多线程编程在编码上比较符合人类的思维习惯，但带来了“锁”这个问题。而异步非阻塞的模型，其程序执行的情况是比较简单的，而且也能比较充分的利用硬件性能，但是问题是很多代码需要以“回调”的形式编写，对于复杂的业务逻辑来说，显得非常繁琐，可读性非常差。虽然这两种方案各有利弊，也有人结合这两种技术希望能各取所长，但是我更倾向于基础是使用异步、单线程、非阻塞的调度方式，因为这个方案是最清晰简单的。为了解决“回调”的问题，我们可以在其上再添加其他的抽象层，比如协程或者添加线程池之类的技术予以改善。
2. 通信：支持 请求响应 模式以及 通知 模式的通信（广播视为一种多目标的通知）。游戏有很多登录、买卖、打开背包之类的功能，都是明确的有请求和响应的。而大量的联机游戏中，多个客户端的位置、HP 等东西都需要经过网络同步，其实就是一种“主动通知”的通信方式。
3. 持久化：可以存取 对象 。游戏存档的格式非常复杂，但其索引的需求往往都是根据玩家 ID 来读写就可以。在很多游戏主机如 PlayStation 上，以前的存档都是可以以类似“文件”的方式存放在记忆卡里的。所以游戏持久化最基本的需求，就是一个 key-value 存取模型。当然，游戏中还会有更复杂的持久化需求，比如排行榜、拍卖行等，这些需求应该额外对待，不适合包含在一个最基本的通用底层中。
4. 缓存：支持远程、分布式的对象缓存。游戏服务基本上都是“带状态”的服务，因为游戏要求响应延迟非常苛刻，基本上都需要利用服务器进程的内存来存放过程数据。但是游戏的数据，往往是变化越快的，价值越低，比如经验值、金币、HP，而等级、装备等变化比较慢的，价值则越高，这种特征，非常适合用一个缓存模型来处理。
5. 协程：可以用 C++ 来编写协程代码，避免大量回调函数分割代码。这个是对于异步代码非常有用的特性，能大大提高代码的可读性和开发效率。特别是把很多底层涉及IO的功能，都提供了协程化 API，使用起来就会像同步的 API 一样轻松惬意。
6. 脚本：初步设想是支持可以用 Lua 来编写业务逻辑。游戏需求变化是出了名快的，用脚本语言编写业务逻辑正好能提供这方面的支持。实际上脚本在游戏行业里的使用非常广泛。所以支持脚本，也是一个游戏服务器框架很重要的能力。
7. 其他功能：包括定时器、服务器端的对象管理等等。这些功能很常用，所以也需要包含在框架中，但已经有很多成熟方案，所以只要选取常见易懂的模型即可。比如对象管理，我会采用类似 Unity 的组件模型来实现。

非功能性需求

1. 灵活性：支持可替换的通信协议；可替换的持久化设备（如数据库）；可替换的缓存设备（如 memcached/redis）；以静态库和头文件的方式发布，不对使用者代码做过多的要求。游戏的运营环境比较复杂，特别是在不同的项目之间，可能会使用不同的数据库、不同的通信协议。但是游戏本身业务逻辑很多都是基于对象模型去设计的，所以应该有一层能够基于“对象”来抽象所有这些底层功能的模型。这样才能让多个不同的游戏，都基于一套底层进行开发。
2. 部署便利性：支持灵活的配置文件、命令行参数、环境变量的引用；支持单独进程启动，而无须依赖数据库、消息队列中间件等设施。一般游戏都会有至少三套运行环境，包括一个开发环境、一个内测环境、一个外测或运营环境。一个游戏的版本更新，往往需要更新多个环境。所以如何能尽量简化部署就成为一个很重要的问题。我认为一个好的服务器端框架，应该能让这个服务器端程序，在无配置、无依赖的情况下独立启动，以符合在开发、测试、演示环境下快速部署。并且能很简单的通过配置文件、或者命令行参数的不同，在集群化下的外部测试或者运营环境下启动。
3. 性能：很多游戏服务器，都会使用异步非阻塞的方式来编程。因为异步非阻塞可以很好的提高服务器的吞吐量，而且可以很明确的控制多个用户任务并发下的代码执行顺序，从而避免多线程锁之类的复杂问题。所以这个框架我也希望是以异步非阻塞作为基本的并发模型。这样做还有另外一个好处，就是可以手工的控制具体的进程，充分利用多核 CPU 服务器的性能。当然异步代码可读性因为大量的回调函数，会变得很难阅读，幸好我们还可以用“协程”来改善这个问题。
4. 扩展性：支持服务器之间的通信，进程状态管理，类似 SOA 的集群管理。自动容灾和自动扩容，其实关键点是服务进程的状态同步和管理。我希望一个通用的底层，可以把所有的服务器间调用，都通过一个统一的集权管理模型管理起来，这样就可以不再每个项目去关心集群间通信、寻址等问题。

一旦需求明确下来，基本的层级结构也可以设计了：

最后，整体的架构模块类似：

通信模块

对于通信模块来说，需要有灵活的可替换协议的能力，就必须按一定的层次进行进一步的划分。对于游戏来说，最底层的通信协议，一般会使用 TCP 和 UDP 这两种，在服务器之间，也会使用消息队列中间件一类通信软件。框架必须要有能同事支持这几通信协议的能力。故此设计了一个层次为: Transport

在协议层面，最基本的需求有“分包”“分发”“对象序列化”等几种需求。如果要支持“请求-响应”模式，还需要在协议中带上“序列号”的数据，以便对应“请求”和“响应”。另外，游戏通常都是一种“会话”式的应用，也就是一系列的请求，会被视为一次“会话”，这就需要协众需要有类似 Session ID 这种数据。为了满足这些需求，设计一个层次为： Protocol

拥有了以上两个层次，是可以完成最基本的协议层能力了。但是，我们往往希望业务数据的协议包，能自动化的成为编程中的 对象，所以在处理消息体这里，需要一个可选的额外层次，用来把字节数组，转换成对象。所以我设计了一个特别的处理器：ObjectProcessor ，去规范通信模块中对象序列化、反序列化的接口。

Transport

此层次是为了统一各种不同的底层传输协议而设置的，最基本应该支持 TCP 和 UDP 这两种协议。对于通信协议的抽象，其实在很多底层库也做的非常好了，比如 Linux 的 socket 库，其读写 API 甚至可以和文件的读写通用。C# 的 Socket 库在 TCP 和 UDP 之间，其 api 也几乎是完全一样的。但是由于作用游戏服务器，很多适合还会接入一些特别的“接入层”，比如一些代理服务器，或者一些消息中间件，这些 API 可是五花八门的。另外，在 html5 游戏（比如微信小游戏）和一些页游领域，还有用 HTTP 服务器作为游戏服务器的传统（如使用 WebSocket 协议），这样就需要一个完全不同的传输层了。

服务器传输层在异步模型下的基本使用序列，就是：

1. 在主循环中，不断尝试读取有什么数据可读
2. 如果上一步返回有数据到达了，则读取数据
3. 读取数据处理后，需要发送数据，则向网络写入数据

根据上面三个特点，可以归纳出一个基本的接口：

class Transport {
public:   
   /**
    * 初始化Transport对象，输入Config对象配置最大连接数等参数，可以是一个新建的Config对象。
    */   
   virtual int Init(Config* config) = 0;

   /**
    * 检查是否有数据可以读取，返回可读的事件数。后续代码应该根据此返回值循环调用Read()提取数据。
    * 参数fds用于返回出现事件的所有fd列表，len表示这个列表的最大长度。如果可用事件大于这个数字，并不影响后续可以Read()的次数。
    * fds的内容，如果出现负数，表示有一个新的终端等待接入。
    */
   virtual int Peek(int* fds, int len) = 0;

   /**
    * 读取网络管道中的数据。数据放在输出参数 peer 的缓冲区中。
    * @param peer 参数是产生事件的通信对端对象。
    * @return 返回值为可读数据的长度，如果是 0 表示没有数据可以读，返回 -1 表示连接需要被关闭。
    */
   virtual int Read( Peer* peer) = 0;

   /**
    * 写入数据，output_buf, buf_len为想要写入的数据缓冲区，output_peer为目标队端，
    * 返回值表示成功写入了的数据长度。-1表示写入出错。
    */
   virtual int Write(const char* output_buf, int buf_len, const Peer& output_peer) = 0;

   /**
    * 关闭一个对端的连接
    */
   virtual void ClosePeer(const Peer& peer) = 0;

   /**
    * 关闭Transport对象。
    */
   virtual void Close() = 0;

}

在上面的定义中，可以看到需要有一个 Peer 类型。这个类型是为了代表通信的客户端（对端）对象。在一般的 Linux 系统中，一般我们用 fd （File Description）来代表。但是因为在框架中，我们还需要为每个客户端建立接收数据的缓存区，以及记录通信地址等功能，所以在 fd 的基础上封装了一个这样的类型。这样也有利于把 UDP 通信以不同客户端的模型，进行封装。

///@brief 此类型负责存放连接过来的客户端信息和数据缓冲区
class Peer {
public:	
    int buf_size_;      ///< 缓冲区长度
    char* const buffer_;///< 缓冲区起始地址
    int produced_pos_;  ///< 填入了数据的长度
    int consumed_pos_;  ///< 消耗了数据的长度

    int GetFd() const;
    void SetFd(int fd);    /// 获得本地地址
    const struct sockaddr_in& GetLocalAddr() const;
    void SetLocalAddr(const struct sockaddr_in& localAddr);    /// 获得远程地址

    const struct sockaddr_in& GetRemoteAddr() const;
    void SetRemoteAddr(const struct sockaddr_in& remoteAddr);

private:
    int fd_;                            ///< 收发数据用的fd
    struct sockaddr_in remote_addr_;    ///< 对端地址
    struct sockaddr_in local_addr_;     ///< 本端地址
};

游戏使用 UDP 协议的特点：一般来说 UDP 是无连接的，但是对于游戏来说，是肯定需要有明确的客户端的，所以就不能简单用一个 UDP socket 的fd 来代表客户端，这就造成了上层的代码无法简单在 UDP 和 TCP 之间保持一致。因此这里使用 Peer 这个抽象层，正好可以接近这个问题。这也可以用于那些使用某种消息队列中间件的情况，因为可能这些中间件，也是多路复用一个 fd 的，甚至可能就不是通过使用 fd 的 API 来开发的。

对于上面的 Transport 定义，对于 TCP 的实现者来说，是非常容易能完成的。但是对于 UDP 的实现者来说，则需要考虑如何宠妃利用 Peer ，特别是 Peer.fd_ 这个数据。我在实现的时候，使用了一套虚拟的 fd 机制，通过一个客户端的 IPv4 地址到 int 的对应 Map ，来对上层提供区分客户端的功能。在 Linux 上，这些 IO 都可以使用 epoll 库来实现，在 Peek() 函数中读取 IO 事件，在 Read()/Write() 填上 socket 的调用就可以了。

另外，为了实现服务器之间的通信，还需要设计和 Tansport 对应的一个类型：Connector 。这个抽象基类，用于以客户端模型对服务器发起请求。其设计和 Transport 大同小异。除了 Linux 环境下的 Connecotr ，我还实现了在 C# 下的代码，以便用 Unity 开发的客户端可以方便的使用。由于 .NET 本身就支持异步模型，所以其实现也不费太多功夫。

/**
 * @brief 客户端使用的连接器类，代表传输协议，如 TCP 或 UDP
 */
class Connector {

public:    virtual ~Connector() {}    
 
    /**
     * @brief 初始化建立连接等
     * @param config 需要的配置
     * @return 0 为成功
     */
    virtual int Init(Config* config) = 0;

    /**
     * @brief 关闭
     */
    virtual void Close() = 0;

    /**
     * @brief 读取是否有网络数据到来
     * 读取有无数据到来，返回值为可读事件的数量，通常为1
     * 如果为0表示没有数据可以读取。
     * 如果返回 -1 表示出现网络错误，需要关闭此连接。
     * 如果返回 -2 表示此连接成功连上对端。
     * @return 网络数据的情况
     */
    virtual int Peek() = 0;

    /**
     * @brief 读取网络数 
     * 读取连接里面的数据，返回读取到的字节数，如果返回0表示没有数据，
     * 如果buffer_length是0, 也会返回0，
     * @return 返回-1表示连接需要关闭（各种出错也返回0）
     */
    virtual int Read(char* ouput_buffer, int buffer_length) = 0;

    /**
     * @brief 把input_buffer里的数据写入网络连接，返回写入的字节数。
     * @return 如果返回-1表示写入出错，需要关闭此连接。
     */
   virtual int Write(const char* input_buffer, int buffer_length) = 0;

protected:
    Connector(){}
};

Protocol

对于通信“协议”来说，其实包含了许许多多的含义。在众多的需求中，我所定义的这个协议层，只希望完成四个最基本的能力：

1. 分包：从流式传输层切分出一个个单独的数据单元，或者把多个“碎片”数据拼合成一个完整的数据单元的能力。一般解决这个问题，需要在协议头部添加一个“长度”字段。
2. 请求响应对应：这对于异步非阻塞的通信模式下，是非常重要的功能。因为可能在一瞬间发出了很多个请求，而回应则会不分先后的到达。协议头部如果有一个不重复的“序列号”字段，就可以对应起哪个回应是属于哪个请求的。
3. 会话保持：由于游戏的底层网络，可能会使用 UDP 或者 HTTP 这种非长连接的传输方式，所以要在逻辑上保持一个会话，就不能单纯的依靠传输层。加上我们都希望程序有抗网络抖动、断线重连的能力，所以保持会话成为一个常见的需求。我参考在 Web 服务领域的会话功能，设计了一个 Session 功能，在协议中加上 Session ID 这样的数据，就能比较简单的保持会话。
4. 分发：游戏服务器必定会包含多个不同的业务逻辑，因此需要多种不同数据格式的协议包，为了把对应格式的数据转发。

除了以上三个功能，实际上希望在协议层处理的能力，还有很多，最典型的就是对象序列化的功能，还有压缩、加密功能等等。我之所以没有把对象序列化的能力放在 Protocol 中，原因是对象序列化中的“对象”本身是一个业务逻辑关联性非常强的概念。在 C++ 中，并没有完整的“对象”模型，也缺乏原生的反射支持，所以无法很简单的把代码层次通过“对象”这个抽象概念划分开来。但是我也设计了一个 ObjectProcessor ，把对象序列化的支持，以更上层的形式结合到框架中。这个 Processor 是可以自定义对象序列化的方法，这样开发者就可以自己选择任何“编码、解码”的能力，而不需要依靠底层的支持。

至于压缩和加密这一类功能，确实是可以放在 Protocol 层中实现，甚至可以作为一个抽象层次加入 Protocol ，可能只有一个 Protocol 层不足以支持这么丰富的功能，需要好像 Apache Mina 这样，设计一个“调用链”的模型。但是为了简单起见，我觉得在具体需要用到的地方，再额外添加 Protocol 的实现类就好，比如添加一个“带压缩功能的 TLV Protocol 类型”之类的。

消息本身被抽象成一个叫 Message 的类型，它拥有“服务名字”“会话ID”两个消息头字段，用以完成“分发”和“会话保持”功能。而消息体则被放在一个字节数组中，并记录下字节数组的长度。

enum MessageType {
    TypeError, ///< 错误的协议
    TypeRequest, ///< 请求类型，从客户端发往服务器
    TypeResponse, ///< 响应类型，服务器收到请求后返回
    TypeNotice  ///< 通知类型，服务器主动通知客户端
};

///@brief 通信消息体的基类
///基本上是一个 char[] 缓冲区
struct Message {
public:
    static int MAX_MAESSAGE_LENGTH;
    static int MAX_HEADER_LENGTH;
  
    MessageType type;  ///< 此消息体的类型(MessageType)信息

    virtual ~Message();    virtual Message& operator=(const Message& right);

    /**
     * @brief 把数据拷贝进此包体缓冲区
     */
    void SetData(const char* input_ptr, int input_length);

    ///@brief 获得数据指针
    inline char* GetData() const{
        return data_;
    }

     ///@brief 获得数据长度
    inline int GetDataLen() const{
        return data_len_;
    }
 
    char* GetHeader() const;
    int GetHeaderLen() const;

protected:
    Message();
    Message(const Message& message);
 
private:
    char* data_;                  // 包体内容缓冲区
    int data_len_;                // 包体长度

};

根据之前设计的“请求响应”和“通知”两种通信模式，需要设计出三种消息类型继承于 Message，他们是：

• Request 请求包
• Response 响应包
• Notice 通知包

Request 和 Response 两个类，都有记录序列号的 seq_id 字段，但 Notice 没有。Protocol 类就是负责把一段 buffer 字节数组，转换成 Message 的子类对象。所以需要针对三种 Message 的子类型都实现对应的 Encode() / Decode() 方法。

class Protocol {

public:
    virtual ~Protocol() {
    }

    /**
     * @brief 把请求消息编码成二进制数据
     * 编码，把msg编码到buf里面，返回写入了多长的数据，如果超过了 len，则返回-1表示错误。
     * 如果返回 0 ，表示不需要编码，框架会直接从 msg 的缓冲区读取数据发送。
     * @param buf 目标数据缓冲区
     * @param offset 目标偏移量
     * @param len 目标数据长度
     * @param msg 输入消息对象
     * @return 编码完成所用的字节数，如果 < 0 表示出错
     */
    virtual int Encode(char* buf, int offset, int len, const Request& msg) = 0;

    /**
     * 编码，把msg编码到buf里面，返回写入了多长的数据，如果超过了 len，则返回-1表示错误。
     * 如果返回 0 ，表示不需要编码，框架会直接从 msg 的缓冲区读取数据发送。
     * @param buf 目标数据缓冲区
     * @param offset 目标偏移量
     * @param len 目标数据长度
     * @param msg 输入消息对象
     * @return 编码完成所用的字节数，如果 < 0 表示出错
     */
    virtual int Encode(char* buf, int offset, int len, const Response& msg) = 0;

    /**
     * 编码，把msg编码到buf里面，返回写入了多长的数据，如果超过了 len，则返回-1表示错误。
     * 如果返回 0 ，表示不需要编码，框架会直接从 msg 的缓冲区读取数据发送。
     * @param buf 目标数据缓冲区
     * @param offset 目标偏移量
     * @param len 目标数据长度
     * @param msg 输入消息对象
     * @return 编码完成所用的字节数，如果 < 0 表示出错
     */
    virtual int Encode(char* buf, int offset, int len, const Notice& msg) = 0;

    /**
     * 开始编码，会返回即将解码出来的消息类型，以便使用者构造合适的对象。
     * 实际操作是在进行“分包”操作。
     * @param buf 输入缓冲区
     * @param offset 输入偏移量
     * @param len 缓冲区长度
     * @param msg_type 输出参数，表示下一个消息的类型，只在返回值 > 0 的情况下有效，否则都是 TypeError
     * @return 如果返回0表示分包未完成，需要继续分包。如果返回-1表示协议包头解析出错。其他返回值表示这个消息包占用的长度。
     */
    virtual int DecodeBegin(const char* buf, int offset, int len,
                            MessageType* msg_type) = 0;

    /**
     * 解码，把之前DecodeBegin()的buf数据解码成具体消息对象。
     * @param request 输出参数，解码对象会写入此指针
     * @return 返回0表示成功，-1表示失败。
     */
    virtual int Decode(Request* request) = 0;

    /**
     * 解码，把之前DecodeBegin()的buf数据解码成具体消息对象。
     * @param request 输出参数，解码对象会写入此指针
     * @return 返回0表示成功，-1表示失败。
     */
    virtual int Decode(Response* response) = 0;

    /**
     * 解码，把之前DecodeBegin()的buf数据解码成具体消息对象。
     * @param request 输出参数，解码对象会写入此指针
     * @return 返回0表示成功，-1表示失败。
     */
    virtual int Decode(Notice* notice) = 0;protected:

    Protocol() {
    }

};

这里有一点需要注意，由于 C++ 没有内存垃圾搜集和反射的能力，在解释数据的时候，并不能一步就把一个 char[] 转换成某个子类对象，而必须分成两步处理。

1. 先通过 DecodeBegin() 来返回，将要解码的数据是属于哪个子类型的。同时完成分包的工作，通过返回值来告知调用者，是否已经完整的收到一个包。
2. 调用对应类型为参数的 Decode() 来具体把数据写入对应的输出变量。

对于 Protocol 的具体实现子类，我首先实现了一个 LineProtocol ，是一个非常不严谨的，基于文本ASCII编码的，用空格分隔字段，用回车分包的协议。用来测试这个框架是否可行。因为这样可以直接通过 telnet 工具，来测试协议的编解码。然后我按照 TLV （Type Length Value）的方法设计了一个二进制的协议。大概的定义如下：

协议分包： [消息类型:int:2] [消息长度:int:4] [消息内容:bytes:消息长度]

消息类型取值:

• 0x00 Error
• 0x01 Request
• 0x02 Response
• 0x03 Notice