分享一下mqttclient的设计与实现方式

设计思想

整体采用分层式设计，代码实现采用异步设计方式，降低耦合。

消息的处理使用回调的方式处理：用户指定订阅的主题与指定消息的处理函数。

不依赖外部任何文件。

API接口

mqttclient拥有非常简洁的API接口，参数都是非常简单的。

MQTT客户端的核心结构

mqtt_client_t 结构

该结构主要维护以下内容：

MQTT客户端连接服务器必要的参数，如客户端ID mqtt_client_id、用户名mqtt_user_name、密码mqtt_password以及客户端ID长度mqtt_client_id_len、用户名长度mqtt_user_name_len、密码长度mqtt_password_len等。

读写数据缓冲区mqtt_read_buf、mqtt_write_buf及其大小的配置mqtt_read_buf_size、mqtt_write_buf_size。

服务器相关的配置信息，如服务器地址mqtt_host、服务器端口号mqtt_port、服务器CA证书mqtt_ca。

一些MQTT客户端的配置信息：如心跳时间间隔mqtt_keep_alive_interval、MQTT报文标识符mqtt_packet_id、遗嘱标记位mqtt_will_flag、清除会话标记mqtt_clean_session、MQTT协议版本mqtt_version、等待应答列表的最大记录个数mqtt_ack_handler_number等。

一些其他的配置，如遗嘱消息相关的配置mqtt_will_options、客户端的状态mqtt_client_state、写缓冲区的互斥锁mqtt_write_lock、全局的互斥锁mqtt_global_lock等。

命令超时时间mqtt_cmd_timeout（主要是读写阻塞时间、等待响应的时间、重连等待时间等）。

维护消息处理列表mqtt_msg_handler_list，这是mqtt协议必须实现的内容，所有来自服务器的publish报文都会被处理（前提是订阅了对应的消息，或者设置了拦截器）。

维护ack链表mqtt_ack_handler_list，这是异步实现的核心，所有等待响应的报文都会被挂载到这个链表上。

维护一个网络组件层mqtt_network，它可以自动选择数据通道。

维护一个内部线程mqtt_thread，所有来自服务器的mqtt包都会在内部线程这里被处理！

两个定时器，分别是掉线重连定时器与保活定时器mqtt_reconnect_timer、mqtt_last_sent、mqtt_last_received

设置掉线重连后告知应用层的回调函数mqtt_reconnect_handler与参数mqtt_reconnect_data。

设置底层的拦截器的回调函数mqtt_interceptor_handler，将所有底层数据上报给应用层。

mqttclient实现

以下是整个框架的实现方式，方便大家更容易理解mqttclient的代码与设计思想，让大家能够修改源码与使用，还可以提交pr或者issues，开源的世界期待各位大神的参与，感谢！

除此之外以下代码的记录机制与超时处理机制是非常好的编程思想，大家有兴趣一定要看源代码！

申请一个mqtt客户端

mqtt_client_t *mqtt_lease(void);

这个函数的内部通过动态申请内存的方式申请了一个MQTT客户端结构mqtt_client_t。

调用**_mqtt_init()**函数将其内部的进行了默认的初始化，如申请网络组件的内存空间、初始化相关的互斥锁、链表等。

释放已申请的mqtt客户端

mqtt_release()

回收MQTT客户端结构mqtt_client_t的内存空间、网络组件的内存空间、与服务器断开连接。

设置MQTT客户端的信息

通过宏定义去统一设置MQTT客户端结构mqtt_client_t的信息，定义如下：

由编译器预处理得到相关的函数：mqtt_set_xxx()。

连接服务器

int mqtt_connect(mqtt_client_t* c);

参数只有 mqtt_client_t 类型的指针，连接服务器则是使用非异步的方式设计，因为必须等待连接上服务器才能进行下一步操作。

过程如下：

调用底层的连接函数连接上服务器：

network_connect(c->network);

序列化mqtt的CONNECT报文并且发送。

MQTTSerialize_connect(c->write_buf, c->write_buf_size, &connect_data)
mqtt_send_packet(c, len, &connect_timer)

等待来自服务器的CONNACK报文

mqtt_wait_packet(c, CONNACK, &connect_timer)

连接成功后创建一个内部线程mqtt_yield_thread，并在合适的时候启动它：

/* connect success, and need init mqtt thread */
c->mqtt_thread= platform_thread_init("mqtt_yield_thread", mqtt_yield_thread, c, MQTT_THREAD_STACK_SIZE, MQTT_THREAD_PRIO, MQTT_THREAD_TICK);

if (NULL != c->mqtt_thread) {
    mqtt_set_client_state(c, CLIENT_STATE_CONNECTED);
    platform_thread_startup(c->mqtt_thread);
    platform_thread_start(c->mqtt_thread);       /* start run mqtt thread */
}

而对于重连来说则不会重新创建线程，直接改变客户端状态为连接状态即可:

mqtt_set_client_state(c, CLIENT_STATE_CONNECTED);

订阅报文

int mqtt_subscribe(mqtt_client_t* c, const char* topic_filter, mqtt_qos_t qos, message_handler_t handler)

订阅报文使用异步设计来实现的，参数有字符串类型的主题（支持通配符"#" "+"），主题的服务质量，以及收到报文的处理函数`，如不指定则有默认处理函数。

过程如下：

序列化订阅报文并且发送给服务器

MQTTSerialize_subscribe(c->write_buf, c->write_buf_size, 0, mqtt_get_next_packet_id(c), 1, &topic, (int*)&qos)
mqtt_send_packet(c, len, &timer)

创建对应的消息处理节点，这个消息节点在收到服务器的SUBACK订阅应答报文后会挂载到消息处理列表mqtt_msg_handler_list上

mqtt_msg_handler_create(topic_filter, qos, handler)

在发送了报文给服务器那就要等待服务器的响应了，先记录这个等待SUBACK

mqtt_ack_list_record(c, SUBACK, mqtt_get_next_packet_id(c), len, msg_handler)

取消订阅

int mqtt_unsubscribe(mqtt_client_t* c, const char* topic_filter);

与订阅报文的逻辑基本差不多的，指定了取消订阅的主题。

实现过程如下：

序列化订阅报文并且发送给服务器

MQTTSerialize_unsubscribe(c->write_buf, c->write_buf_size, 0, packet_id, 1, &topic)
mqtt_send_packet(c, len, &timer)

创建对应的消息处理节点，这个消息节点在收到服务器的UNSUBACK取消订阅应答报文后将消息处理列表mqtt_msg_handler_list上的已经订阅的主题消息节点销毁

mqtt_msg_handler_create((const char*)topic_filter, QOS0, NULL)

在发送了报文给服务器那就要等待服务器的响应了，先记录这个等待UNSUBACK

mqtt_ack_list_record(c, UNSUBACK, packet_id, len, msg_handler)

发布报文

int mqtt_publish(mqtt_client_t* c, const char* topic_filter, mqtt_message_t* msg)

向指定主题发布一个MQTT报文。参数只有mqtt_client_t 类型的指针，字符串类型的主题（支持通配符），要发布的消息（包括服务质量、消息主体）。

使用如下：

mqtt_message_t msg;

msg.qos = 2;
msg.payload = (void *) buf;

mqtt_publish(&client, "testtopic1", &msg);

代码的实现核心思想都差不多，过程如下：

先序列化发布报文，然后发送到服务器

MQTTSerialize_publish(c->write_buf, c->write_buf_size, 0, msg->qos, msg->retained, msg->id,topic, (unsigned char*)msg->payload, msg->payloadlen);
mqtt_send_packet(c, len, &timer)

对于QOS0的逻辑，不做任何处理，对于QOS1和QOS2的报文则需要记录下来，在没收到服务器应答的时候进行重发

if (QOS1 == msg->qos) {
    rc = mqtt_ack_list_record(c, PUBACK, mqtt_get_next_packet_id(c), len, NULL);
} else if (QOS2 == msg->qos) {
    rc = mqtt_ack_list_record(c, PUBREC, mqtt_get_next_packet_id(c), len, NULL);
}

还有非常重要的一点，重发报文的MQTT报文头部需要设置DUP标志位，这是MQTT协议的标准，因此，在重发的时候作者直接操作了报文的DUP标志位，因为修改DUP标志位的函数我没有从MQTT库中找到，所以我封装了一个函数，这与LwIP中的交叉存取思想是一个道理，它假设我知道MQTT报文的所有操作，所以我可以操作它，这样子可以提高很多效率：

mqtt_set_publish_dup(c,1);  /* may resend this data, set the udp flag in advance */

内部线程

static void mqtt_yield_thread(void *arg)

主要是对mqtt_yield函数的返回值做处理，比如在disconnect的时候销毁这个线程。

核心的处理函数

数据包的处理mqtt_packet_handle

static int mqtt_packet_handle(mqtt_client_t* c, platform_timer_t* timer)

对不同的包使用不一样的处理：

switch (packet_type) {
    case 0: /* timed out reading packet */
        break;

    case CONNACK:
        break;

    case PUBACK:
    case PUBCOMP:
        rc = mqtt_puback_and_pubcomp_packet_handle(c, timer);
        break;

    case SUBACK:
        rc = mqtt_suback_packet_handle(c, timer);
        break;
        
    case UNSUBACK:
        rc = mqtt_unsuback_packet_handle(c, timer);
        break;

    case PUBLISH:
        rc = mqtt_publish_packet_handle(c, timer);
        break;

    case PUBREC:
    case PUBREL:
        rc = mqtt_pubrec_and_pubrel_packet_handle(c, timer);
        break;

    case PINGRESP:
        c->ping_outstanding = 0;
        break;

    default:
        goto exit;
}

并且做保活的处理：

mqtt_keep_alive(c)

当发生超时后的处理：

if (platform_timer_is_expired(&c->last_sent) || platform_timer_is_expired(&c->last_received))

序列化一个心跳包并且发送给服务器

MQTTSerialize_pingreq(c->write_buf, c->write_buf_size);
mqtt_send_packet(c, len, &timer);

当再次发生超时后，表示与服务器的连接已断开，需要重连的操作，设置客户端状态为断开连接

mqtt_set_client_state(c, CLIENT_STATE_DISCONNECTED);

ack链表的扫描，当收到服务器的报文时，对ack列表进行扫描操作

mqtt_ack_list_scan(c);

当超时后就销毁ack链表节点：

mqtt_ack_handler_destroy(ack_handler);

当然下面这几种报文则需要重发操作：（PUBACK 、PUBREC、 PUBREL 、PUBCOMP，保证QOS1 QOS2的服务质量）

if ((ack_handler->type ==  PUBACK) || (ack_handler->type ==  PUBREC) || (ack_handler->type ==  PUBREL) || (ack_handler->type ==  PUBCOMP))
    mqtt_ack_handler_resend(c, ack_handler);

保持活性的时间过去了，可能掉线了，需要重连操作

mqtt_try_reconnect(c);

重连成功后尝试重新订阅报文，保证恢复原始状态~

mqtt_try_resubscribe(c)

发布应答与发布完成报文的处理

static int mqtt_puback_and_pubcomp_packet_handle(mqtt_client_t *c, platform_timer_t *timer)

反序列化报文

MQTTDeserialize_ack(&packet_type, &dup, &packet_id, c->read_buf, c->read_buf_size)

取消对应的ack记录

mqtt_ack_list_unrecord(c, packet_type, packet_id, NULL);

订阅应答报文的处理

```c
static int mqtt_suback_packet_handle(mqtt_client_t *c, platform_timer_t *timer)

反序列化报文

MQTTDeserialize_suback(&packet_id, 1, &count, (int*)&granted_qos, c->read_buf, c->read_buf_size)

取消对应的ack记录

mqtt_ack_list_unrecord(c, packet_type, packet_id, NULL);

安装对应的订阅消息处理函数，如果是已存在的则不会安装

mqtt_msg_handlers_install(c, msg_handler);

取消订阅应答报文的处理

static int mqtt_unsuback_packet_handle(mqtt_client_t *c, platform_timer_t *timer)

反序列化报文

MQTTDeserialize_unsuback(&packet_id, c->read_buf, c->read_buf_size)

取消对应的ack记录，并且获取到已经订阅的消息处理节点

mqtt_ack_list_unrecord(c, UNSUBACK, packet_id, &msg_handler)

销毁对应的订阅消息处理函数

mqtt_msg_handler_destory(msg_handler);

来自服务器的发布报文的处理

static int mqtt_publish_packet_handle(mqtt_client_t *c, platform_timer_t *timer)

反序列化报文

MQTTDeserialize_publish(&msg.dup, &qos, &msg.retained, &msg.id, &topic_name,
(unsigned char**)&msg.payload, (int*)&msg.payloadlen, c->read_buf, c->read_buf_size)

对于QOS0、QOS1的报文，直接去处理消息

mqtt_deliver_message(c, &topic_name, &msg);

对于QOS1的报文，还需要发送一个PUBACK应答报文给服务器

MQTTSerialize_ack(c->write_buf, c->write_buf_size, PUBACK, 0, msg.id);

而对于QOS2的报文则需要发送PUBREC报文给服务器，除此之外还需要记录PUBREL到ack链表上，等待服务器的发布释放报文，最后再去处理这个消息

MQTTSerialize_ack(c->write_buf, c->write_buf_size, PUBREC, 0, msg.id);
mqtt_ack_list_record(c, PUBREL, msg.id + 1, len, NULL)
mqtt_deliver_message(c, &topic_name, &msg);

说明：一旦注册到ack列表上的报文，当具有重复的报文是不会重新被注册的，它会通过**mqtt_ack_list_node_is_exist()**函数判断这个节点是否存在，主要是依赖等待响应的消息类型与msgid。

发布收到与发布释放报文的处理

static int mqtt_pubrec_and_pubrel_packet_handle(mqtt_client_t *c, platform_timer_t *timer)

反序列化报文

MQTTDeserialize_ack(&packet_type, &dup, &packet_id, c->read_buf, c->read_buf_size)

产生一个对应的应答报文

mqtt_publish_ack_packet(c, packet_id, packet_type);

取消对应的ack记录

mqtt_ack_list_unrecord(c, UNSUBACK, packet_id, &msg_handler)

原作者：qiyongzhong0