一个基于socket API之上的跨平台MQTT客户端，支持qos2

mqttclient

一个基于socket API之上的跨平台MQTT客户端

源码地址 https://github.com/jiejieTop/mqttclient

整体框架

备注：目前只实现了linux平台，TencentOS tiny与RT-Thread正在移植中

linux平台下测试使用

安装cmake：

sudo apt-get install cmake

配置

在mqttclient/test/test.c文件中修改以下内容：

    init_params.connect_params.network_params.network_ssl_params.ca_crt = test_ca_get();    /* CA证书 */
    init_params.connect_params.network_params.addr = "xxxxxxx";                             /* 服务器域名 */
    init_params.connect_params.network_params.port = "8883";
    init_params.connect_params.user_name = "xxxxxxx";                                       /* 用户名 */
    init_params.connect_params.password = "xxxxxxx";                                        /* 密码 */
    init_params.connect_params.client_id = "xxxxxxx";                                       /* 客户端id */

打开salof

salof 全称是：Synchronous Asynchronous Log Output Framework（同步异步日志输出框架）

它是一个异步日志输出库，在空闲时候输出对应的日志信息，并且该库与mqttclient无缝衔接，如果不需要则将 LOG_IS_SALOF 定义为0即可。

#define LOG_IS_SALOF    0

在mqttclient/common/log/config.h配置文件中打开对应的日志输出级别：

#define BASE_LEVEL      (0)
#define ASSERT_LEVEL    (BASE_LEVEL + 1)            /* 日志输出级别：断言级别（非常高优先级） */
#define ERR_LEVEL       (ASSERT_LEVEL + 1)          /* 日志输出级别：错误级别（高优先级） */
#define WARN_LEVEL      (ERR_LEVEL + 1)             /* 日志输出级别：警告级别（中优先级） */
#define INFO_LEVEL      (WARN_LEVEL + 1)            /* 日志输出级别：信息级别（低优先级） */
#define DEBUG_LEVEL     (INFO_LEVEL + 1)            /* 日志输出级别：调试级别（更低优先级） */

#define         SALOF_OS                    USE_LINUX       /* 选择对应的平台：Linux/FreeRTOS/TencentOS */
#define         LOG_LEVEL                   WARN_LEVEL      /* 日志输出级别 */

mqttclient的配置

配置文件是：mqttclient/mqtt_config.h，在这里可以根据自身需求配置对应的信息。
如是否选择mbedtls加密层：

#define     MQTT_NETWORK_TYPE_TLS               MQTT_YES

编译 & 运行

./build.sh

运行build.sh脚本后会在 ./build/bin/目录下生成可执行文件mqtt-client，直接运行即可。

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]
• 不对外产生依赖

API

mqttclient拥有非常简洁的api接口

int mqtt_keep_alive(mqtt_client_t* c);
int mqtt_init(mqtt_client_t* c, client_init_params_t* init);
int mqtt_release(mqtt_client_t* c);
int mqtt_connect(mqtt_client_t* c);
int mqtt_disconnect(mqtt_client_t* c);
int mqtt_subscribe(mqtt_client_t* c, const char* topic_filter, mqtt_qos_t qos, message_handler_t msg_handler);
int mqtt_unsubscribe(mqtt_client_t* c, const char* topic_filter);
int mqtt_publish(mqtt_client_t* c, const char* topic_filter, mqtt_message_t* msg);
int mqtt_yield(mqtt_client_t* c, int timeout_ms);

核心

mqtt_client_t 结构

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typedef struct mqtt_client {
    unsigned short              packet_id;
    unsigned char               *read_buf;
    unsigned char               *write_buf;
    unsigned char               ping_outstanding;
    unsigned char               ack_handler_number;
    unsigned int                cmd_timeout;
    unsigned int                read_buf_size;
    unsigned int                write_buf_size;
    unsigned int                reconnect_try_duration;
    void                        *reconnect_date;
    reconnect_handler_t         reconnect_handler;
    client_state_t              client_state;
    platform_mutex_t            write_lock;
    platform_mutex_t            global_lock;
    list_t                      msg_handler_list;
    list_t                      ack_handler_list;
    network_t                   *network;
    platform_thread_t           *thread;
    platform_timer_t            reconnect_timer;
    platform_timer_t            ping_timer;
    connect_params_t            *connect_params;
} mqtt_client_t;

该结构主要维护以下内容：

1. 读写数据缓冲区read_buf、write_buf
2. 命令超时时间cmd_timeout（主要是读写阻塞时间、等待响应的时间、重连等待时间）
3. 维护ack链表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
4. 维护消息处理列表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）
5. 维护一个网卡接口network
6. 维护一个内部线程thread，所有来自服务器的mqtt包都会在这里被处理！
7. 两个定时器，分别是掉线重连定时器与保活定时器reconnect_timer、ping_timer
8. 一些连接的参数connect_params

初始化

int mqtt_init(mqtt_client_t* c, client_init_params_t* init)

主要是配置mqtt_client_t结构的相关信息，如果没有指定初始化参数，则系统会提供默认的参数。
但连接部分的参数则必须指定：

    init_params.connect_params.network_params.addr = "[你的mqtt服务器IP地址或者是域名]";
    init_params.connect_params.network_params.port = 1883;	//端口号
    init_params.connect_params.user_name = "jiejietop";
    init_params.connect_params.password = "123456";
    init_params.connect_params.client_id = "clientid";

连接服务器

int mqtt_connect(mqtt_client_t* c);

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

1. 调用底层的连接函数连接上服务器：

c->network->connect(c->network);

2. 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)

3. 等待来自服务器的CONNACK报文

mqtt_wait_packet(c, CONNACK, &connect_timer)

4. 连接成功后创建一个内部线程mqtt_yield_thread

platform_thread_init("mqtt_yield_thread", mqtt_yield_thread, c, MQTT_THREAD_STACK_SIZE, MQTT_THREAD_PRIO, MQTT_THREAD_TICK)

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：
过程如下：

1. 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)

2. 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msg_handler_list上

mqtt_msg_handler_create(topic_filter, qos, handler)

3. 在发送了报文给服务器那就要等待服务器的响应了，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

与订阅报文的逻辑基本差不多的~

发布报文

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

核心思想都差不多，过程如下：

1. 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)

2. 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);
    }

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mqtt_yield

1. 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)

2. 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);

3. 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)

1. 反序列化报文

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

2. 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

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

1. 反序列化报文

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

2. 取消对应的ack记录

mqtt_ack_list_unrecord(c, packet_type, packet_id, NULL);

3. 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)

1. 反序列化报文

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

2. 取消对应的ack记录

mqtt_ack_list_unrecord(c, UNSUBACK, packet_id, &msg_handler)

3. 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)

1. 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)

2. 对于QOS0、QOS1的报文，直接去处理消息

mqtt_deliver_message(c, &topic_name, &msg);

3. 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);

4. 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)

1. 反序列化报文

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

2. 产生一个对应的应答报文

mqtt_publish_ack_packet(c, packet_id, packet_type);

3. 取消对应的ack记录

mqtt_ack_list_unrecord(c, UNSUBACK, packet_id, &msg_handler)

源码地址 https://github.com/jiejieTop/mqttclient