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Graphviz 画图的一些总结

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Graphviz

Graphviz 是一个自动排版的作图软件，可以生成 png pdf 等格式。

一切以官方文档为准，博客只是参考。这里做一个自己学习的记录。

  • dot 语法介绍
  • 部分图形属性介绍
  • 示例
  • 使用VSCode进行预览生成
  • 参考

dot 语言

Graphviz 构建组件为 图，节点，边，用属性对其进行描述。

以下是定义DOT语言的抽象语法，约束的规则如下：

  • 元素的终止以 粗体 显示
  • 文字字符用单引号 '' 引起来
  • 圆括号 () 的内容为必选项
  • 方括号 [] 为可选项目
  • 竖杠 | 为择一选择
声明 结构
graph [ strict ] (graph | digraph) [ ID ] '{' stmt_list '}'
stmt_list [ stmt [ ';' ] stmt_list ]
stmt node_stmt | edge_stmt | attr_stmt | ID '=' ID | subgraph
attr_stmt (graph | node | edge) attr_list
attr_list '['** [ a_list ] **']' [ attr_list ]
a_list ID '=' ID [ (';' | ',') ] [ a_list ]
edge_stmt (node_id | subgraph) edgeRHS [ attr_list ]
edgeRHS edgeop (node_id | subgraph) [ edgeRHS ]
node_stmt node_id [ attr_list ]
node_id ID [ port ]
port ':' ID [ ':' compass_pt ] | ':' compass_pt
subgraph [ subgraph [ ID ] ] '{' stmt_list '}'
compass_pt (n | ne | e | se | s | sw | w | nw | c | _)

ID 其实就是一个字符串，为该组件的名称或者属性的名称，命名规则如下：

  1. 所有的字母 [a-zA-Z\200-\377] 下划线，数字 [0-9]，数字不能出现在起始位置
  2. 纯数字 $[-]^?(.[0-9]^+ | [0-9]^+(.[0-9]*)6? $
  3. 所有用双引号引用的字符串 "..."
  4. HTML 格式的字符串 <>

dot 语法的关键字

  • strict, 严格的图限定，禁止创建多个相同的边
  • graph, 无向图. 在图的创建时必须声明为有向图还是无向图
  • digraph, 有向图
  • node, 节点
  • edge, 边
  • subgraph, 子图

通过 dot 的抽象语法可以看到

  1. 整个 graph 必须使用 graph 或 digraph {} 进行限定说明图的属性
  2. 图里面的声明列表可以为空，也可以为多个，每个声明后的 ; 为可选项
  3. 声明有几种类型
    1. 节点 node
    2. 边 edge
    3. 子图 subgraph
    4. 属性列表
    5. ID = ID, 这个类型暂时还没有看到有什么作用
  4. 属性列表
    1. 必须使用中括号 [ ] 将列表项括起来
    2. 列表项为可选
  5. 属性列表项
    1. 以 key = value 的形式存在，列表项可选择 ',' 和 ';' 结尾
    2. 可存在多个列表项
  6. 边的声明
    1. 首端为 节点标识符或者子图，
    2. 右部分由边连接节点标识符或者子图构成，右部分可以存在多个
    3. 尾部可选属性列表
  7. 节点的声明
    示例 节点的用法 node0 [label = "<postid1> string|<postid2> string|<postid3> string3", height=.5]` node0:head[color=lightblue] // 设置该部分的颜色
    1. 首部为节点标识符 节点部分(post) 方向 组成，其中后两项为可选项。
    2. 后半部分为可选的属性列表
方向 说明
n north 北
ne north east
e east 东
se south east 东南
s south 南
sw south west 西南
w west 西
nw north west 西北
c center 中部
_ 任意

一个方向的示例

digraph action {
    node [shape = record,height=.1];

    node0 [label = "<head> head|<body> body|<foot> foot", height=.5]
    node2 [shape = box label="mind"]

    node0:head:n -> node2:n [label = "n"]
    node0:head:ne -> node2:ne [label = "ne"]
    node0:head:e -> node2:e [label = "e"]
    node0:head:se -> node2:se [label = "se"]
    node0:head:s -> node2:s [label = "s"]
    node0:head:sw -> node2:sw [label = "sw"]
    node0:head:w -> node2:w [label = "w"]
    node0:head:nw -> node2:nw [label = "nw"]
    node0:head:c -> node2:c [label = "c"]
    node0:head:_ -> node2:_ [label = "_"]

    node0:body[style=filled color=lightblue]
}

效果如下 图-1

绘制属性

  • 节点
  • 边
  • 子图

一个图中有非常多的 node 和 edge，如果每次都需要声明一个节点的属性会非常麻烦，有一个简单的方式为声明一个公共的属性如

digraph action {
    rankdir = LR // 设置方向
    node [shape=box color=blue]
    edge [color=red]

    node1 // 默认节点属性
    node2 [color=lightblue] // 属于该节点的颜色属性
    node1 -> node2 // 默认边属性 
    node2 -> node1 [color=green] // 属于该变的属性
}

在声明位置之后的节点都有一个 默认 的形状和颜色属性。

全部的属性见graphviz官网，这里列举部分常用的属性

  • charset 编码，一般设置 UTF-8
  • fontname 字体名称，这个在中文的情况需要设置，否则导出图片的时候会乱码，一般设置微软雅黑("Microsoft YaHei"), linux 下也是同样设置系统带的字体就好，其他字体设置见fontpath 属性
  • fontcolor 字体颜色
  • fontsize 字体大小，用于文本内容
  • fillcolor 用于填充节点或者集群(cluster)的背景颜色。
  • size 图形的最大宽度和高度
  • label　图形上的文本标记
  • margin 设置图形的边距
  • pad 指定将绘制区域扩展到绘制图形所需的最小区域的长度（以英寸为单位）
  • style 设置图形组件的样式信息。 对于聚类子图或者节点，如果style = "filled"，则填充聚类框的背景
  • rankdir 设置图形布局的排列方向 (全局只有一个生效). "TB", "LR", "BT", "RL", 分别对应于从上到下，从左到右，从下到上和从右到左绘制的有向图。
  • ranksep 以英寸为单位提供所需的排列间隔
  • ratio 设置生成图片的纵横比

节点（node）

节点的默认属性为 shape = ellipse, width = .75, height = 0.5 并且用节点标识符作为节点的显示文字。

如图一中所示，声明两个节点 node0 和 node2，node0 或 node2 就表示这个节点的节点标识符，后面紧跟的是该节点的属性列表；另一种用法为 节点标识符:节点部分:方向[属性列表] node0:body[style=filled color=lightblue], 这个为单一节点声明的方式。

节点中最基本的属性为：

  • shape 形状，全部形状见graphviz官网，一些常用的图形有
  • width height, 图形的宽度和高度，如果设置了 fixedsize 为 true，则宽和高为最终的长度
  • fixedsize, 如果为false，节点的大小由其文本内容所需要的最小值决定
  • rank 子图中节点上的排列等级约束. 最小等级是最顶部或最左侧，最大等级是最底部或最右侧。
    • same. 所有节点都位于同一等级
    • min. 所有节点都位于最小等级上
    • source. 所有节点都位于最小等级上，并且最小等级上的唯一节点属于某个等级 source 或 min 的子图.
    • max sink. 和上类似

边 (edge)

有向图中的的边用 -> 表示，无向图用 -- 表示。

可以同时连接多个节点或者子图，但是只能有一个属性列表，如下

digraph {
    rankdir = LR
    A -> B -> c[color=green]
}

一些关于边的属性如下：

digraph {
    rankdir = LR
    splines = ortho

    A -> B -> C -> D -> F [color = green]
    E -> F -> B -> D [color = blue]
    B -> E -> H[color = red]
}
  • len 首选边的长度
  • weight 边的权重, 权重越大越接近边的长度
  • lhead 逻辑边缘的头部(箭头那个位置)，compound 设置为 true 时，边被裁减到子图的边界处
  • ltail 类似 lhead
  • headlabel 边上靠近箭头部分的标签

  • taillabel 边上靠近尾部部分的标签
    设置 A->B->C->D->F的权重最大，修改绿色的分支的权重为 100，使其变成主要逻辑分支。

  • splines 控制如何以及是否表示边缘。其值如下
    • none 或者 "", 无边
    • true 或者 spline, 样条线（无规则，可为直或者曲线）
    • false 或者 line, 直线段
    • polyline, 折线
    • curved, 曲弧线，两条？
    • ortho, 正直的线（横竖）

  • dir 设置绘制箭头的边缘类型

子图

subgraph 必须配合 cluster 一起使用，用法为 subgraph cluster* {}

需要设置 compound 为 true，则在群集之间留出边缘，子图的边界关系在 边 的定义中有给出，这里直接给个示例。

digraph G {
    compound = true  // 允许子图间存在边
    ranksep = 1
    node [shape = record]

    subgraph cluster_hardware {
        label = "hardware"
        color = lightblue
        CPU Memory
    }

    subgraph cluster_kernel {
        label = "kernel"
        color = green
        Init IPC
    }

    subgraph cluster_libc {
        label = "libc"
        color = yellow
        glibc
    }

    CPU -> Init [lhead = cluster_kernel ltail = cluster_hardware]
    IPC -> glibc [lhead = cluster_libc ltail = cluster_kernel]
}

示例

TCP IP 状态流程图

展示了两个版本，怎么把这些图形节点稍微规范的显示出来

digraph {
    compound=true
    fontsize=10
    margin="0,0"
    ranksep = .75
    nodesep = .65

    node [shape=Mrecord fontname="Inconsolata, Consolas", fontsize=12, penwidth=0.5]
    edge [fontname="Inconsolata, Consolas", fontsize=10, arrowhead=normal]


    "TCP/IP State Transition" [shape = "plaintext", fontsize = 16]

    // now start server state transition
    "CLOSED" -> "LISTEN" [style = blod, label = "应用：被动打开\n发送：<无>"];
    "LISTEN" -> "SENT_REVD" [style = blod, label = "接收：SYN\n发送：SYN,ACK"]
    "SENT_REVD" -> "ESTABLISHED" [style = blod, label = "接收：ACK\n发送：<无>", weight = 20]
    "ESTABLISHED" -> "CLOSE_WAIT" [style = blod, label = "接收：FIN\n发送：ACK", weight = 20]

    subgraph cluster_passive_close {    
        style = dotted
        margin = 10

        passive_close [shape = plaintext, label = "被动关闭", fontsize = 14]

        "CLOSE_WAIT" -> "LAST_ACK" [style = blod, label = "应用：关闭\n发送：FIN", weight = 10]
    }
    "LAST_ACK" -> "CLOSED" [style = blod, label = "接收：ACK\n发送：<无>"]

    // now start client state transition
    "CLOSED" -> "SYN_SENT" [style = dashed, label = "应用：主动打开\n发送：SYN"]; 
    "SYN_SENT" -> "ESTABLISHED" [style = dashed, label = "接收：SYN,ACK\n发送：ACK", weight = 25]
    "SYN_SENT" -> "SENT_REVD" [style = dotted, label = "接收：SYN\n发送：SYN,ACK\n同时打开"]
    "ESTABLISHED" -> "FIN_WAIT_1" [style = dashed, label = "应用：关闭\n发送：FIN", weight = 20]
    
    subgraph cluster_active_close {
        style = dotted
        margin = 10
        
        active_open [shape = plaintext, label = "主动关闭", fontsize = 14]

        "FIN_WAIT_1" -> "FIN_WAIT_2" [style = dashed, label = "接收：ACK\n发送：<无>"]
        "FIN_WAIT_2" -> "TIME_WAIT" [style = dashed, label = "接收：FIN\n发送：ACK"]
        "FIN_WAIT_1" -> "CLOSING" [style = dotted, label = "接收：ACK\n发送：<无>"]
        "FIN_WAIT_1" -> "TIME_WAIT" [style = dotted, label = "接收：SYN,ACK\n发送：ACK"]
        "CLOSING" -> "TIME_WAIT" [style = dotted]
    }
    
    "TIME_WAIT" -> "CLOSED" [style = dashed, label = "2MSL超时"]
}

这是一个很挫的版本，排版乱飞了。

digraph rankdot {
    compound=true
    margin="0,0"
    ranksep = .75
    nodesep = 1
    pad = .5
    //splines = ortho

    node [shape=Mrecord, charset = "UTF-8" fontname="Microsoft YaHei", fontsize=14]
    edge [charset = "UTF-8" fontname="Microsoft YaHei", fontsize=11, arrowhead = normal]


    CLOSED -> LISTEN [style = dashed, label = "应用：被动打开\n发送：<无>", weight = 100];
    
    "TCP/IP State Transition" [shape = "plaintext", fontsize = 16]

    {
        rank = same
        SYN_RCVD SYN_SENT
        point_1 [shape = point, width = 0]
        
        SYN_SENT -> point_1 [style = dotted, label = "应用关闭或者超时"]
        // SYN_SENT -> SYN_RCVD 这个一行代码和上一行冲突了，syn_sent 会在syn_rcvd右边
        SYN_RCVD -> SYN_SENT [style = dotted, dir = back, headlabel = "接收：SYN\n发送：SYN,ACK\n同时打开"]
    }

    LISTEN -> SYN_RCVD [style = dashed, headlabel = "接收：SYN\n发送：SYN,ACK"]
    SYN_RCVD -> LISTEN [style = dotted, headlabel = "接收：RST"]
    CLOSED:es -> SYN_SENT [style = blod, label = "应用：主动打开\n发送：SYN"]

    {
        rank = same
        ESTABLISHED CLOSE_WAIT

        ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT [style = dashed, label = "接收：SYN,ACK\n发送：ACK"]
    }

    SYN_RCVD -> ESTABLISHED [style = dashed, label = "接收：ACK\n发送：<无>", weight = 9]
    SYN_SENT -> ESTABLISHED  [style = blod, label = "接收：SYN,ACK\n发送：ACK", weight = 10]

    {
        rank = same

        FIN_WAIT_1
        CLOSING 
        LAST_ACK
        point_2 [shape = point, width = 0]

        FIN_WAIT_1 -> CLOSING [style = dotted, label = "接收：FIN\n发送：ACK"]
        LAST_ACK -> point_2 [style = dashed, label = "接收：ACK\n发送：<无>"]
    }

    CLOSE_WAIT -> LAST_ACK [style = dashed, label = "应用：关闭\n发送：FIN", weight = 10]

    {
        rank = same
        FIN_WAIT_2  TIME_WAIT

        point_3 [shape = point, width = 0]
        TIME_WAIT -> point_3 [style = blod, label = "2MSL超时"]
    }

    ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1 [style = blod, label = "应用：关闭\n发送：FIN"]
    FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2 [style = blod, headlabel = "接收：ACK\n发送：<无>", weight = 15]
    FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT [style = blod, label = "接收：FIN\n发送：ACK", weight = 10]

    CLOSING -> TIME_WAIT [style = dotted, label = "接收：ACK\n发送：<无>", weight = 15]
    FIN_WAIT_1 -> TIME_WAIT [style = dotted, label = "接收：ACK\n发送：<无>"]

    point_3 -> point_2 [arrowhead = none, style = dotted, weight = 10]
    point_2 -> point_1 [arrowhead = none, style = dotted]
    point_1 -> CLOSED [style = dotted]
}

这个版本看起来有内味了，最最最的主要的原因就是我使用 rank = same 属性，将一些图形固定在 同一列，一些需要横竖的直线的地方使用 weight 来调整权重，达到横竖的直接的效果，很多地方都是微调的结果。有一个很差的地方是 使用了rank限制若干图形后，就不能使用 subgraph 属性了，这样就不能在若干不同部分的节点周边画线（对比关闭的区域）了。

epoll 相关数据结构及关系

digraph rankdot {
    compound=true
    margin="0,0"
    ranksep = .75
    nodesep = 1
    pad = .5
    rankdir = LR

    node [shape=record, charset = "UTF-8" fontname="Microsoft YaHei", fontsize=14]
    edge [style = dashed, charset = "UTF-8" fontname="Microsoft YaHei", fontsize=11]

    epoll [shape = plaintext, label = "epoll 相关结构及部分关系"]

    eventpoll [
        color = cornflowerblue,
        label = "<eventpoll> struct \n eventpoll |
            <lock> spinlock_t lock; |
            <mutex> struct mutex mtx; |
            <wq> wait_queue_head_t wq; |
            <poll_wait> wait_queue_head_t poll_wait; |
            <rdllist> struct list_head rdllist; |
            <ovflist> struct epitem *ovflist; |
            <rbr> struct rb_root_cached rbr; |
            <ws> struct wakeup_source *ws; |
            <user> struct user_struct *user; |
            <file> struct file *file; |
            <visited> int visited; |
            <visited_list_link> struct list_head visited_list_link;"
    ]

    epitem [
        color = sienna,
        label = "<epitem> struct \n epitem  |
            <rb>struct rb_node rbn;\nstruct rcu_head rcu; |
            <rdllink> struct list_head rdllink; |
            <next> struct epitem *next; |
            <ffd> struct epoll_filefd ffd; |
            <nwait> int nwait; |
            <pwqlist> struct list_head pwqlist; |
            <ep> struct eventpoll *ep; |
            <fllink> struct list_head fllink; |
            <ws> struct wakeup_source __rcu *ws; |
            <event> struct epoll_event event;"
    ]

    epitem2 [
        color = sienna,
        label = "<epitem> struct \n epitem |
            <rb>struct rb_node rbn;\nstruct rcu_head rcu; |
            <rdllink> struct list_head rdllink; |
            <next> struct epitem *next; |
            <ep> struct eventpoll *ep; |
             ··· |
             ··· "
    ]

    eppoll_entry [
        color = darkviolet,
        label = "<entry> struct \n eppoll_entry |
            <llink> struct list_head llink; |
            <base> struct epitem *base; |
            <wait> wait_queue_entry_t wait; |
            <whead> wait_queue_head_t *whead;"
    ]

    epitem:ep -> eventpoll:se [color = sienna]
    epitem2:ep -> eventpoll:se [color = sienna]
    eventpoll:ovflist -> epitem:next -> epitem2:next [color = cornflowerblue]
    eventpoll:rdllist -> epitem:rdllink -> epitem2:rdllink [dir = both]
    eppoll_entry:llink -> epitem:pwqlist [color = darkviolet]
    eppoll_entry:base -> epitem:nw  [color = darkviolet]
}

遗留问题

  1. 在以上TCP/IP 状态变迁图中，尝试增加主动关闭方的区域边框
  2. 尝试增加 TCP/IP 的时序图

使用 VSCode 进行预览生成

  1. 在官网下载graphviz安装包
  2. 安装 vscode 插件 Graphviz Preview
  3. 在 settings.json 中添加 "graphvizPreview.dotPath": "graphviz_path\graphviz-2.38\\release\\bin\\dot.exe", graphviz_path 为所在路径，这些修改一下既可
  4. 新建一个 dot 文件，右上角就会有预览生成的按钮了

参考

  1. graphviz官方文档

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