cf048079efc1e2dc7aa620b953413c7ce194f01a
[senf.git] / Socket / Mainpage.dox
1 namespace senf {
2
3 /** \mainpage The SENF Socket Library
4
5     The Socket library provides a high level and object oriented abstraction of the BSD socket
6     API. The abstraction is based on several concepts:
7
8     \li The basic visible interface is a \link handle_group handle object \endlink
9     \li The socket interface relies on a \link policy_group policy framework \endlink to configure
10         it's functionality
11     \li The rest of the socket API is accessible using a classic inheritance hierarchy of \link
12         protocol_group protocol classes \endlink
13
14     The handle/body architecture provides automatic reference counted management of socket
15     instances, the policy framework provides highly efficient access to the most important socket
16     functions (like reading and writing) and the inheritance hierarchy provides convenient access to
17     the multitude of special and protocol dependent options.
18
19     \see 
20         \ref structure \n
21         \ref usage \n
22         \ref handle_group \n
23         \ref policy_group \n
24         \ref protocol_group \n
25         \ref addr_group \n
26         \ref extend \n
27         \ref implementation
28  */
29
30 /** \page structure Overview of the Socket Library Structure
31
32     \image html Handle.png
33
34     This diagram tries to give a structural overview of the Socket Library, it does \e not directly
35     show, how the library is implemented. This will be explained later.
36
37     The outside interface to the library is a Handle object. This is the only object, the library
38     user directly interacts with. Every handle references some socket. This is like the ordinary
39     POSIX API: the file descriptor (also called file handle, an integer number) references a socket
40     structure which lives in kernel space. In this library, the Handle object (which is not a simple
41     integer any more but an object) references the Socket (which is part of the
42     implementation). Several handles may reference the same Socket. In contrast to the kernel API,
43     the library employs reference counting to release a socket when the last Handle to it goes out
44     of scope.
45
46     The behavior of a Socket is defined by it's Protocol. It is divided into two parts: the
47     <em>policy interface</em> and the <em>protocol interface</em>. Together they provide the
48     complete API for a specific type of Socket as defined by the Protocol. The <em>policy
49     interface</em> provides highly efficient access to the most frequently used operations whereas
50     the <em>protocol interface</em> completes the interface by providing a complete set of all
51     protocol specific operations not found in the policy interface. This structure allows us to
52     combine the benefits of two design methodologies: The policy interface utilizes a policy based
53     design technique and is highly efficient albeit more complex to implement, whereas the protocol
54     interface is based on a more common inheritance architecture which is not as optimized for
55     performance but much simpler to implement. We reduce the complexity of the implementation by
56     reducing the policy interface to a minimal sensible subset of the complete API.
57
58     \section over_policy The Policy Interface
59     
60     The policy of a Socket consists of several parts, called <em>policy axis</em>. Each axis
61     corresponds to one specific interface aspect of the Socket. The exact meaning of the policy axis
62     are defined elsewhere (see \ref policy_group). The Protocol will always provide a complete set
63     of <em>policy classes</em>, one for each axis.
64
65     This <em>complete socket policy</em> defines the policy interface of the protocol. This
66     interface is carried over into the Handle. The socket policy as defined in the Handle however
67     may be <em>incomplete</em>. This mans, that the \e accessible interface of the Socket depends on
68     the type of Handle used. The inherent interface does not change but the view of this interface
69     does if the Handle does not provide the \e complete policy interface. This feature is very
70     important. It allows to define generic Handle types. A generic Handle with an incompletely
71     defined policy can point to an arbitrary Socket as long as all those policy axis which \e are
72     defined match those defined in that Socket's protocol. Using such a generic handle decouples the
73     implementation parts using this handle from the other socket aspects (e.g. you may define a
74     generic socket handle for TCP based communication leaving the addressingPolicy undefined which
75     makes your code independent of the type of addressing, IPv4 or IPv6). 
76
77     This can be described as generalized compile-time polymorphism: A base class reference to some
78     derived class will only give access to a reduced interface (the base class interface) of a
79     class. The class still is of it's derived type (and inherently has the complete interface) but
80     only part of it is accessible via the base class reference. Likewise a generic handle (aka base
81     class reference) will only provide a reduced interface (aka base class interface) to the derived
82     class instance (aka socket).
83
84     \section over_protocol The Protocol Interface
85
86     The protocol interface is provided by a set of <em>protocol facets</em>. Each facet provides a
87     part of the interface. Whereas the policy interface is strictly defined (the number and type of
88     policy axis is fixed and also the possible members provided by the policy interface are fixed),
89     the protocol interface is much more flexible. Any member needed to provide a complete API for
90     the specific protocol may be defined, the number and type of facets combined to provide the
91     complete interface is up to the Protocol implementor. This flexibility is necessary to provide a
92     complete API for every possible protocol.
93
94     However this flexibility comes at a cost: To access the protocol interface the user must know
95     the exact protocol of the socket. With other words, the protocol is only accessible if the
96     handle you use is a <em>protocol specific</em> handle. A protocol specific Handle differs from a
97     generic Handle in two ways: It always has a complete policy and it knows the exact protocol type
98     of the socket (which generic handles don't). This allows to access to the complete protocol
99     interface.
100
101     \section over_impl Implementation of the Socket Libarary Structure
102
103     In the Implementation, the socket policy is identified by an instance of the senf::SocketPolicy
104     template. The Socket representation is internally represented in a senf::SocketBody which is not
105     outside visible. The Handle is provided by a hierarchy of handle templates. Each Handle template
106     uses template arguments for the policy and/or protocol as needed (see \ref handle_group).
107
108     The Handle hierarchy divides the interface into two separate strains: the client interface
109     (senf::ClientSocketHandle and senf::ProtocolClientSocketHandle) provides the interface of a
110     client socket whereas the server interface (senf::ServerSocketHandle and
111     senf::ProtocolServerSocketHandle) provides the interface as used by server sockets.
112
113     The protocol interface is implemented using inheritance: The Protocol class inherits from each
114     protocol facet using multiple (virtual public) inheritance. The Protocol class therefore
115     provides the complete protocol API in a unified (see \ref protocol_group).
116  */
117
118 /** \page usage Using the Socket Library
119
120     Whenever you use the socket library, what you will be dealing with are FileHandle derived
121     instances. The socket library relies on reference counting to automatically manage the
122     underlying socket representation. This frees you of having to manage the socket lifetime
123     explicitly.
124
125     \section usage_create Creating a Socket Handle
126
127     To create a new socket handle (opening a socket), you will need to use
128     ProtocolClientSocketHandle or ProtocolServerSocketHandle. You will probably not use these
129     templates as is but use proper typedefs (for example TCPv4ClientSocketHandle or
130     PacketSocketHandle). The documentation for these socket handles are found in the protocol class
131     (for example TCPv4SocketProtocol or PacketProtocol).
132
133     \section usage_reusable Writing Reusable Components
134
135     To make your code more flexible, you should not pass around your socket in this form. Most of
136     your code will be using only a small subset of the ProtocolClientSocketHandle or
137     ProtocolServerSocketHandle API.
138     
139     If instead of using the fully specified handle type you use a more incomplete type, you allow
140     your code to be used with all sockets which fulfill the minimal requirements of your code. These
141     types are based on the ClientSocketHandle and ServerSocketHandle templates which implement the
142     policy interface without providing the concrete protocol interface.  To use those templates you
143     may define a special reduced policy or handle for your code. By giving only an incomplete policy
144     you thereby reduce the interface to that required by your module:
145
146     \code
147       typedef ClientSocketHandle<
148           MakeSocketPolicy<
149               ReadablePolicy,
150               StreamFramingPolicy,
151               ConnectedCommunicationPolicy > > MyReadableHandle;
152
153     \endcode
154
155     This defines \c MyReadableHandle as a ClientSocketHandle which will have only read
156     functionality. Your code expects a stream interface (in contrast to a packet or datagram based
157     interface). You will not have \c write or \c readfrom members. \c write will be disabled since
158     the WritePolicy is unknown, \c readfrom will be disabled since a socket with the
159     ConnectedCommunicationPolicy does not have a \c readfrom member.
160
161     \see
162         \ref policy_group \n
163         \ref handle_group \n
164         \ref protocol_group
165  */
166
167 /** \page extend Extending the Library
168
169     There are two layers, on which the socket library can be extended: On the protocol layer and on
170     the policy layer. Extending the protocol layer is quite simple and works as long as the desired
171     protocol does use the same BSD API used by the standard internet protocols as implemented in the
172     standard policies (i.e. it uses ordinary read() and write() or rcvfrom() or sendto() calls and
173     so on).
174
175     If however the implementation of a policy feature needs to be changed, a new policy class has to
176     be written. This also is not very complicated however the integration is more complex.
177
178     \section extend_protocol Writing a new protocol class
179
180     Most protocols can be implemented by just implementing a new protocol class. The protocol class
181     must be derived from ConcreteSocketProtocol and takes the socket policy (as created by
182     MakeSocketPolicy) as a template argument. See the documentation of this class for the interface.
183
184     \attention You may want to use multiple inheritance as it is used in the implementation of the
185     standard protocols (See \ref protocol_group). You must however be extra careful to ensure, that
186     every class ultimately has SocketPolicy as a public \e virtual base.
187
188     After the protocol class has been defined, you will probably want to provide typedefs for the
189     new protocol sockets. If the new protocol is connection oriented, this will be like
190     \code
191     typedef ProtocolClientSocketHandle<MyProtocolClass> MyProtocolClientSocketHandle;
192     typedef ProtocolServerSocketHandle<MyProtocolClass> MyProtocolServerSocketHandle;
193     \endcode
194
195     \section extend_policy Extending the policy framework
196
197     If you have to extend the policy framework, you will need to be aware of some important
198     limitations of the socket library:
199
200     \li When you define a new policy for some axis, this new policy <em>must not</em> be derived
201         from one of the existing concrete policy classes (except of course the respective policy
202         axis base class). This is important since the policy type is \e not polymorphic. The policy
203         to be used is selected by the compiler using the \e static type, which is exactly what is
204         desired, since this allows calls to be efficiently inlined.
205
206     \li Therefore, extending the policy framework will make the new socket probably \e incompatible
207         with generic code which relies on the policy axis which is extended. Example: If you write a
208         new write policy because your protocol does not use ordinary write() system calls but some
209         protocol specific API, Then any generic function relying on WritablePolicy will \e not work
210         with the new socket, since the socket does \e not have this policy, it has some other kind
211         of write policy.
212
213     Therefore you need to be careful of what you are doing. The first step is to find out, which
214     policy you will have to implement. For this, find the ClientSocketHandle and/or
215     ServerSocketHandle members you want to change (see \ref ClientSocketHandle and \ref
216     ServerSocketHandle).  Not all policy axis directly contribute to the SocketHandle
217     interface. However, some policy members additionally depend on other policy axis (example:
218     AddressingPolicy::connect is only defined if the communication policy is
219     ConnectedCommunication).
220
221     \see policy_group
222  */
223
224 /** \page glossary Glossary
225
226     <table class="glossary">
227
228     <tr><td>policy</td> <td>collection of policy classes, one for each policy axis, instantiation of
229     the SocketPolicy template</td></tr>
230
231     <tr><td>policy axis</td> <td>one aspect defined in the socket policy, typedef and member of the
232     SocketPolicy template</td></tr>
233
234     <tr><td>policy class</td> <td>implementation of a single policy axis, class derived from the
235     axis base class</td></tr>
236
237     <tr><td>complete policy</td> <td>socket policy where each axis is specified completely</td></tr>
238
239     <tr><td>incomplete policy</td> <td>socket policy, where at least one axis is not fully
240     specified</td></tr>
241
242     <tr><td>protocol class</td> <td>definition of a protocol as a class, class inheriting from
243     ConcreteSocketProtocol.</td></tr>
244
245     <tr><td>protocol facet</td> <td>a class providing some subset of the protocol interface, class
246     derived from SocketProtocol but not from ConcreteSocketProtocol</td></tr>
247
248     <tr><td>policy interface</td> <td>interface directly provided by
249     ClientSocketHandle/ServerSocketHandle and defined through the policy</td>
250
251     <tr><td>protocol interface</td> <td>interface provided by the protocol class and accessible via
252     the ProtocolClientSocketHandle::protocol()/ProtocolServerSocketHandle::protocol()
253     member</td></tr>
254
255     </table>
256  */
257
258 /** \page implementation Implementation notes
259
260     \section class_diagram Class Diagram
261
262     \image html SocketLibrary-classes.png
263
264     \section impl_notes Arbitrary Implementation Notes
265
266     \li The implementation tries to isolate the library user as much as possible from the system
267         header files since those headers define a lot of define symbols and introduce a host of
268         symbols into the global namespace. This is, why some classes define their own \c enum types
269         to replace system defined define constants. This also precludes inlining some functionality.
270
271     \li To reduce overhead, template functions/members which are more than one-liners are often
272         implemented in terms of a non-template function/member. This is also used to further the
273         isolation from system headers as defined above (template code must always be included into
274         every compilation unit together with all headers need for the implementation).
275  */
276
277 }
278
279 \f
280 // Local Variables:
281 // mode: c++
282 // fill-column: 100
283 // c-file-style: "senf"
284 // indent-tabs-mode: nil
285 // ispell-local-dictionary: "american"
286 // mode: flyspell
287 // mode: auto-fill
288 // End: