数十行F#打造简易Comet聊天服务
2009-12-11 12:00 by 老赵, 9650 visits普通的Web应用程序，都是靠大量HTTP短连接维持的。如实现一个聊天服务时，客户端会不断轮询服务器端索要新消息。这种做法的优势在于简单有效，因此广为目前的聊天服务所采用。不过Comet技术与之不同，简单地说，Comet便是指服务器推（Server-Push）技术。它的实现方式是（这里只讨论基于浏览器的Web平台）在浏览器与服务器之间建立一个长连接，待获得消息之后立即返回。否则持续等待，直至超时。客户端得到消息或超时之后，又会立即建立另一个长连接。Comet技术的最大优势，自然就是很高的即使性。
如果要在ASP.NET平台上实现Comet技术，那么自然需要在服务器端使用异步请求处理。如果是普通处理方式的话，每个请求都会占用一个工作线程，要知道Comet是“长连接”，因此不需要多少客户端便会占用大量的线程，这对资源消耗是巨大的。如果是异步请求的话，虽然客户端和服务器端之间一直保持着连接，但是客户端在等待消息的时候是不占用线程的，直到“超时”或“消息到达”时才继续执行。
以前也有人实现过基于ASP.NET的Comet服务原型，不过是使用C#的。而现在我们用F#来实现这个功能。您会发现F#对于此类异步场景有其独特的优势。
F#常用的工作单元是“模块”，其中定义了大量函数或字段。例如我们要打造一个聊天服务的话，我便定义了一个Chat模块：
#light module internal Comet.Chating.Chat open System open System.Collections.Concurrent type ChatMsg = { From: string; Text: string; } let private agentCache = new ConcurrentDictionary<string, MailboxProcessor<ChatMsg>>() let private agentFactory = new Func<string, MailboxProcessor<ChatMsg>>(fun _ -> MailboxProcessor.Start(fun o -> async { o |> ignore })) let private GetAgent name = agentCache.GetOrAdd(name, agentFactory)
在这里我构建了一个名为ChatMsg的Record类型，一个ChatMsg对象便是一条消息。然后，我使用一个名为agentCache的ConcurrentDictionary对象来保存每个用户所对应的聊天队列——MailboxProcessor。它是F#核心库中内置的，用于实现消息传递式并发的组件，非常轻量级，因此我为每个用户分配一个也只使用很少的资源。GetAgent函数的作用是根据用户的名称获取对应的MailboxProcessor对象，自不必多说。
Chat模块中还定义了send和receive两个公开方法，如下：
let send fromName toName msg = let agent = GetAgent toName { From = fromName; Text = msg; } |> agent.Post let receive name = let rec receive' (agent: MailboxProcessor<ChatMsg>) messages = async { let! msg = agent.TryReceive 0 match msg with | None -> return messages | Some s -> return! receive' agent (s :: messages) } let agent = GetAgent name async { let! messages = receive' agent List.empty if (not messages.IsEmpty) then return messages else let! msg = agent.TryReceive 3000 match msg with | None -> return [] | Some s -> return [s] }
send方法接受3个参数，没有返回值，它的实现只是简单地构造一个ChatMsg对象，并塞入对应的MailboxProcessor。不过receive方法是这里最关键的部分（没有之一）。receive函数的作用是接受并返回MailboxProcessor中已有的对象，或者等待3秒钟后超时——这么说其实不太妥当，因为receive方法其实只是构造了一个“做这件事情”的Async Workflow，而还没有真正执行它。至于它是如何执行的，我们稍候再谈。
receive函数的逻辑是这样的：首先我们构造一个辅助函数receive’来“尝试获取”队列中已有的所有消息。receive’是一个递归函数，每次获取一个，并递归获取剩余的消息。agent.TryReceive函数接受0，表示查询队列，并立即返回一个Option<ChatMsg>结果，如果这个结果为None，则表示队列已为空。于是在receive这个主函数中，便先使用receive’函数获取已有消息，如果存在则立即返回，否则便接收3秒钟内获得的第一个消息，如果3秒结束还没有收到则返回None。
在receive和receive’函数中都使用了let!获取agent.TryReceive函数的结果。let!是F#中构造Workflow的关键字，它起到了“语法糖”的作用。例如，以下的Async Workflow：
async {
let req = WebRequest.Create("http://www.cnblogs.com/")
let! resp = req.GetResponseAsync()
let stream = resp.GetResponseStream()
let reader = new StreamReader(stream)
let! html = reader.ReadToEndAsync()
html
}
事实上在“解糖”后就变成了：
async.Delay(fun () -> async.Let(WebRequest.Create("http://www.cnblogs.com/"), (fun req -> async.Bind(req.GetResponseAsync(), (fun resp -> async.Let(resp.GetResponseStream(), (fun stream -> async.Let(new StreamReader(stream), (fun reader -> async.Bind(reader.ReadToEndAsync(), (fun html -> async.Return(html))))))))))
let!关键字则会转化为Bind函数调用，Bind调用有两个参数，第一个参数为Async<’a>类型，它便负责一个“回调”，待回调后才执行一个匿名函数——也就是Bind函数的第二个参数。可见，let!关键字的一个重要作用，便是将流程的“控制权”转交给“系统”，待合适的时候再继续执行下去。这便是关键，因为这样的话，在接受一个消息的时候，这等待的3秒钟是不占用任何线程的，也就是真正的纯异步。但是如果观察代码——难道不是纯粹的顺序型写法吗？
这就是F#的神奇之处。
在ASP.NET处理时需要Handler，于是在Send阶段便是简单的IHttpHandler：
#light namespace Comet.Chating open Comet open System open System.Web type SendHandler() = interface IHttpHandler with member h.IsReusable = false member h.ProcessRequest(context) = let fromName = context.Request.Form.Item("from"); let toName = context.Request.Form.Item("to") let msg = context.Request.Form.Item("msg") Chat.send fromName toName msg context.Response.Write "sent"
而Receive阶段则是个异步的IHttpAsyncHandler：
#light namespace Comet.Chating open Comet open System open System.Collections.Generic open System.Web open System.Web.Script.Serialization type ReceiveHandler() = let mutable m_context = null let mutable m_endReceive = null interface IHttpAsyncHandler with member h.IsReusable = false member h.ProcessRequest(context) = failwith "not supported" member h.BeginProcessRequest(c, cb, state) = m_context <- c let name = c.Request.QueryString.Item("name") let receive = Chat.receive name let beginReceive, e, _ = Async.AsBeginEnd receive m_endReceive <- new Func<_, _>(e) beginWork (cb, state) member h.EndProcessRequest(ar) = let convert (m: Chat.ChatMsg) = let o = new Dictionary<_, _>(); o.Add("from", m.From) o.Add("text", m.Text) o let result = m_endReceive.Invoke ar let serializer = new JavaScriptSerializer() result |> List.map convert |> serializer.Serialize |> m_context.Response.Write
这里的关键是Async.AsBeginEnd函数，它将Chat.receive函数生成的Async Workflow转化成一组标准APM形式的begin/end对，然后我们只要把BeginProcessRequest和EndProcessReqeust的职责直接交给即可。剩下的，便是一些序列化成JSON的工作了。
于是我们可以新建一个Web项目，引用F#工程，在Web.config里配置两个Handler，再准备一个Chat.aspx页面即可。您可以在文末的链接中查看该页面的代码，也可以在这里试用其效果。作为演示页面，您其实只能“自己给自己”发送消息，其主要目的是查看其响应时间而已。例如，以下便是使用效果一例：
2 - receiving... 3026 - received nothing (3024ms) 3026 - receiving... 6055 - received nothing (3028ms) 6055 - receiving... 7256 - sending 123654... 7268 - received: 123654 (1213ms) 7268 - receiving... 10281 - received nothing (3013ms) 10281 - receiving... 13298 - received nothing (3017ms) 13298 - receiving... 13679 - sending 123456... 13698 - received: 123456 (400ms) 13698 - receiving... 16716 - received nothing (3018ms) 16716 - receiving... 18256 - sending hello world... 18265 - received: hello world (1549ms) 18266 - receiving... 21281 - received nothing (3015ms) 21281 - receiving...
可见，如果没有收到消息，那么receive操作会在3秒钟后返回。当send一条消息后，先前的receive操作便会立即获得消息了，即无需等待3秒便可提前返回。这便是Comet的效果。
至于性能，我写了一个客户端小程序，用于模拟大量用户同时聊天，每个用户每隔1秒便给另外5个用户发送一条消息，然后查看这条消息收到时产生多少的延迟。经过本机测试（2.4GHz双核，2G内存），当超过2K个在线用户时（即2000个长连接）延迟便超过了1秒——到20K还差不多。这个性能其实并不理想。不过，我这个测试也很一般。因为测试环境相当马虎，大量程序（如N个VS）基本上已经完全用满了所有的物理内存，测试客户端和服务器也是同一台机器，甚至代码也是Debug编译的……而根据监视，测试用的客户端小程序CPU占用超过50%，而服务器进程对应的w3wp.exe的CPU占用却小于10%。因此，我们可以这样推断，其实服务器端的性能并没有用足，也有可能是MailboxProcessor的调度方式不甚理想。至于具体是什么原因，我还在调查之中。
最后我想说的是，这个Comet实现只是一个原型，我最想说明的问题其实是F#在异步编程中的优势。目前我写的一些程序，例如一些网络爬虫，都已经使用F#进行开发了，因为它的Async Workflow实在是过于好用，为我省了太多力气。同时我还想证明，“语言特性”并非不重要，它对于编程的简化也是至关重要的。在我看来，“类库”也好，“框架”也罢都是可以补充的，但是语言特性是个无法突破的“限制”。例如，异步编程对于F#来说简化了不少，这是因为我们可以使用顺序的方式编写异步程序。在C#中略有不足，但还有yield可以起到相当作用，因此我们可以使用CCR和AsyncEnumerator简化异步操作。但如果您使用的是Java这种劣质语言……因此，放弃Java，使用Scala吧。
值得一提的是，Async Workflow并不是F#的语言特性，F#的语言特性是Workflow，而Async Workflow其实只是实现了一个Workflow Builder，也就是那个async { ... }，以此来简化异步编程而已。PDC 09上关于F#对异步编程的支持也有相应的介绍。
Java这种劣质语言……