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【系列教程】 真正的高并发还得看IO多路复用

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day02 真正的高并发还得看IO多路复用

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往期教程

day01-从一个基础的socket服务说起

本节目的

使用epoll实现一个高并发的服务器

从单进程讲起

上节从一个基础的socket服务说起我们实现了一个基本的socket服务器，并留了个思考题

先启动server，然后启动一个client，不输入数据，这个时候在另外一个终端上再启动一个client，并在第二个client终端中输入数据，会发生什么呢？

实际操作后，我们会发现，在第二个client输入后，服务端并没有响应，直到第一个client也输入数据完成交互后，第二个client才会有数据返回。

这是由于服务端accept获取到第一个client的套接字后，由于第一个client未输入数据，所以服务端进程会阻塞在等待客户端数据那一行。

...
int read_num = read(accept_fd, read_msg, 100);
...

所以，第二个client完成三次握手后，连接一直在服务端的全连接队列中，等待accept获取处理。

多线程，一个线程一个连接

后续的client无法得到处理是由于服务端只有一个线程，获取client套接字还有连接通信全在一个线程中。

那我们直接开多个线程就好了，主线程只负责accept获取客户端套接字。每来一个连接，我们就新起一个线程去处理客户端和服务端的通信。这样多个连接之间就不会互相影响了。服务端程序如下：

// per_conn_per_thread_server.cpp
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

void handleConn(int accept_fd) {
  char read_msg[100];
  int read_num = read(accept_fd, read_msg, 100);
  printf("get msg from client: %s\n", read_msg);
  int write_num = write(accept_fd, read_msg, read_num);
  close(accept_fd);
}

int main() {
  int listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  struct sockaddr_in server_addr;
  bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
  server_addr.sin_family = AF_INET;
  server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
  server_addr.sin_port = htons(8888);
  if (bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
    printf("bind err: %s\n", strerror(errno));
    close(listen_fd);
    return -1;
  }

  if (listen(listen_fd, 2048) < 0) {
    printf("listen err: %s\n", strerror(errno));
    close(listen_fd);
    return -1;
  }
  
  struct sockaddr_in client_addr;
  bzero(&client_addr, sizeof(struct sockaddr_in));
  socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
  int accept_fd = 0;
  while((accept_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len)) > 0) {
    printf("get accept_fd: %d from: %s:%d\n", accept_fd, inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));
    std::thread handleThread(handleConn, accept_fd);
    // 将线程设置为后台线程，避免阻塞主线程
    handleThread.detach();
  }
}

使用thread库时，如果使用g++进行编译需要添加-lpthread,完整编译命令：

g++ -std=c++11 xxx.cpp -lpthread

看似解决阻塞问题了，但其实这种方案有大缺陷，只要我们稍微加大下客户端的并发度，就会发现服务端会处理不过来。每来一个连接都创建一个新线程，处理完后再销毁线程，这种处理方式成本太大。

IO多路复用和Reactor模型

我们仔细分析下，「per connection per thread」出现性能瓶颈有以下几个原因：

  1. 一个系统能同时创建的线程数量是有限的，而且线程数量越多，占用内存也会变多，容易导致OOM。
  2. 每个连接都用一个新线程去处理，处理结束后销毁对应线程，线程创建和销毁都需要较大开销。
  3. 一个线程当执行时间片用完或者遇到系统调用阻塞时，都会让出CPU。CPU会保留线程的现场信息，然后去执行其他线程（这个过程也称为CPU上下文切换）。所以当线程数很多时，CPU的线程上下文切换也会越频繁，真正用于处理连接通信的时间也会越少。也就是CPU在瞎忙活。

既然是由于并发量高时线程太多导致的性能问题，那如果有一种技术，能让一个线程负责N个连接就能完美解决了。伪代码如下：

class HandleThread {
    std::vector handle_fds;
    void addFd(int fd) {handle_fds.push_back(fd)};
    void work();
}
HandleThread::work() {
    for(;;) {
        int readyFd = getReadyIOFd();
        ...
        // 对readyFd读写处理
        ...
    }
}

auto pool = createThreadPool(4);
int accept_fd = accept(...);
HandleThread thread = pool.getThread();
thread.addFd(accept_fd);

上面代码大家应该很容易看懂，先创建一个指定线程数量的线程池，主线程获取到新连接后，丢到线程池的一个线程去处理。每个线程初始化后会执行work函数，work函数是一个while死循环，里面的getReadyIOFd会阻塞线程，直到有可读可写的套接字时，才会唤醒线程，去进行连接的读写。

扫盲点：一般我们讲的由于系统调用（比如read/write等）导致阻塞，这个时候阻塞的线程状态会被置为挂起，不会占用CPU。所以上面虽然有个while死循环，但在getReadyIOFd被阻塞了，getReadyIOFd底层也是个系统调用（具体实现我们后面会讲到），在没有可读写的套接字时线程并不会占用CPU。

上面的流程，其实就是大名鼎鼎的IO多路复用和Reactor多线程模型了。

epoll登场

这一节我们具体聊聊一个handleThread是如何管理多个套接字的。

IO多路复用的实现模型大家多少听过一些，我们先比较下常见的select和epoll

select

select简单理解就是拿一个数组保存连接套接字，调用select时，会将整个数组拷贝到内核空间中，如果当前数组中没有可读写的套接字，线程被阻塞。

等到数组中有可读写的套接字，或者超时（select可以设置阻塞的超时时间），select调用会返回，然后线程遍历全部数组，找到可读写的套接字，进行读写处理。

select存在以下几个缺点：

  1. 数组中的套接字数量有限制。最多1024个，这个数是select代码中写死的，具体可看/usr/include/bits/typesizes.h中有定义。
  2. select返回后，只是告诉我们这些数组中有fd就绪了，但却没告诉我们具体是哪个fd可读写，我们需要轮训整个数据，才能找到可操作的fd。效率比较低
  3. 需要维护一个用来存放大量fd的数据结构，这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大。

epoll

epoll是linux2.6的时候提出的，epoll在內核中维护了一个eventpoll对象，eventpoll包含一个红黑树结构的等待队列wq和一个链表结构的就绪队列rdlist。

新获取到一个套接字后，将该套接字添加到wq中，等到套接字可读写时，操作系统会将该套接字从wq转到rdlist，然后线程直接处理rdlist中的套接字即可，不需要再遍历全部监听的套接字了。

与select相比，可以发现有以下几个优点：

  1. 没有套接字数量的限制
  2. 阻塞返回后，会明确告知哪些套接字是可以读写的，不需要全部轮训，效率较高

epoll基本使用

因为我们的项目选用epoll，所以下面我们具体讲讲epoll的使用方法

  1. epoll_create创建一个epoll实例
int epoll_create(int size);
int epoll_create1(int flags);
  • size：用来告知內核期望监控的套接字数量，但在2.6.8之后就废弃了，由系统自动化分配。
  • flags: 如果设置为0，和epoll_create功能相同。可以设置为EPOLL_CLOEXEC, 表示当持有epoll句柄的进程fork出一个子进程时，子进程不会包含该epoll_fd。
  • 返回值：成功返回epoll_fd,失败返回-1
  1. epoll_ctl管理监听的描述符，并注册要监听的事件
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event* event);
  • epfd: epoll_create创建的epoll_fd
  • op: 要操作的类型：
    a. EPOLL_CTL_ADD ：注册事件
    b. EPOLL_CTL_MOD：更改事件
    c. EPOLL_CTL_DEL：删除事件
  • fd: 要操作的文件描述符
  • event: 要注册的事件类型
typedef union epoll_data
{
  void *ptr;
  int fd;
  uint32_t u32;
  uint64_t u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event
{
  uint32_t events;	/* Epoll events */
  epoll_data_t data;	/* User data variable */
}

// epoll_event.event表示具体的事件类型，常见有以下几种：
// EPOLLIN：文件描述符可读
// EPOLLOUT：文件描述符可写
// EPOLLRDHUP：套接字对端断开
// EPOLLET：边缘触发（后面细讲）
  1. epoll_wait 等待事件发生，没有事件时，调用者进程会被挂起，等到事件发生/超时后返回
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event* evlist, int maxevents, int timeout);
  • epfd: epoll_create创建的epoll_fd
  • evlist: 返回给用户空间的可以处理的IO事件数组，即前面说的就绪队列
  • maxevents：表示一次epoll_wait最多可以返回的事件数量
  • timeout： epoll_wait阻塞的超时值，如果设置为-1，表示不超时，如果设置为0，即使没有IO事件也会立即返回

epoll有EPOLLLT(水平触发)和EPOLLET(边缘触发)两种工作模式：

  • 水平触发：只要socket处于可读状态(缓冲区有数据)或可写状态，无论什么时候进行epoll_wait都会返回该socket，也就是说我们第一次epoll_wait返回后读了部分数据，在下一次的epoll_wait调用还是会返回之前那个没读完数据的socket。
  • 边缘触发：只有套接字的状态由不可写到可写或由不可读到可读时，才会触发epoll_wait返回。如果我们第一次epoll_wait返回中读了部分数据，如果该套接字没再收到新数据，那即使该套接字缓存区中还有一些数据没读，下一次的epoll_wait也不会返回该套接字了。所以我们需要在第一次读时通过循环read的方式把套接字中的数据全读出来。

边缘触发处理起来会比水平触发比较麻烦，但性能会比水平触发高，因为减少 epoll 相关系统调用次数

讲完epoll的使用方法，我们把前面的伪代码套上epoll的边缘触发模式，完整代码如下：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int setfdNonBlock(int fd) {
  int flag = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
  if (flag == -1) return -1;
  flag |= O_NONBLOCK;
  if (fcntl(fd, F_SETFL, flag) == -1) return -1;
  return 0;
};

void handleConn(int accept_fd) {
  char read_msg[100];
  char *buf_ptr = read_msg;
  int total_read_num = 0;
  int read_num = 0;
  // 使用的是epollet边缘触发模式，需要把套接字缓存区中的数据全读完
  do {
    read_num = read(accept_fd, buf_ptr, 100);
    buf_ptr += read_num;
    total_read_num += read_num;
  } while(read_num > 0);
  printf("get msg from client: %s\n", read_msg);
  int write_num = write(accept_fd, read_msg, total_read_num);
  close(accept_fd);
}

int listenServer(char *host, int port) {
  int listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  struct sockaddr_in server_addr;
  bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
  server_addr.sin_family = AF_INET;
  server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
  server_addr.sin_port = htons(8888);
  if (bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
    printf("bind err: %s\n", strerror(errno));
    close(listen_fd);
    return -1;
  }

  if (listen(listen_fd, 2048) < 0) {
    printf("listen err: %s\n", strerror(errno));
    close(listen_fd);
    return -1;
  }
  return listen_fd;
}

const int EPOLLWAIT_TIME = ;
const int EVENTSMAXNUM = 4096;

class HandleThread {
  public:
    HandleThread() 
    : epoll_fd_(epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC)),
      epoll_events_(EVENTSMAXNUM),
      thread_(std::bind(&HandleThread::work, this)) {
      assert(epoll_fd_ > 0);
      thread_.detach();
    }
    ~HandleThread() {
      close(epoll_fd_);
    }
    // 线程实际运行函数
    void work();
    // 添加监听套接字
    void addFd(int fd);
    // 不再监听指定套接字
    void rmFd(int fd);
  private:
    int epoll_fd_;
    std::vectorepoll_events_;
    std::thread thread_;
};

void HandleThread::work() {
  for(;;) {
    int event_count = epoll_wait(epoll_fd_, &*epoll_events_.begin(), epoll_events_.size(), EPOLLWAIT_TIME);
    if (event_count < 0) {
      perror("epoll wait error");
      continue;
    }
    for (int i = 0; i < event_count; i++) {
      epoll_event cur_event = epoll_events_[i];
      int fd = cur_event.data.fd;

      // 不再监听fd，从epoll中去掉
      rmFd(fd);
      // 处理连接读写
      handleConn(fd);
    }
  }
}

void HandleThread::addFd(int fd) {
  epoll_event event;
  event.data.fd = fd;
  // 只监听读事件
  event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
  if (epoll_ctl(epoll_fd_, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event) < 0) {
    perror("epoll_add error");
  }
}

void HandleThread::rmFd(int fd) {
  epoll_event event;
  event.data.fd = fd;
  event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
  if (epoll_ctl(epoll_fd_, EPOLL_CTL_DEL, fd, &event) < 0) {
    perror("epoll_del error");
  }
}

typedef std::shared_ptr SP_HandleThread;

class HandleThreadPool {
  public:
    HandleThreadPool(int thread_nums) : thread_nums_(thread_nums), next_thread_idx_(0) {
      for (int i = 0; i < thread_nums; i++) {
        SP_HandleThread t (new HandleThread());
        thread_pool_.push_back(t);
      }
    }
    SP_HandleThread getThread();
  private:
    int thread_nums_;
    int next_thread_idx_;
    std::vector thread_pool_;
};

// 从线程池中获取一个线程
SP_HandleThread HandleThreadPool::getThread() {
  SP_HandleThread t = thread_pool_[next_thread_idx_];
  next_thread_idx_ = (next_thread_idx_ + 1) % thread_nums_;
  return t;
}

int main() {
  int listen_fd = listenServer("127.0.0.1", 8888);

  // 创建线程池
  HandleThreadPool pool(4);
  // 等待1秒
  sleep(1);
  struct sockaddr_in client_addr;
  bzero(&client_addr, sizeof(struct sockaddr_in));
  socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
  int accept_fd = 0;
  while((accept_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len)) > 0) {
    printf("get accept_fd: %d from: %s:%d\n", accept_fd, inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));
    // 将fd设置为非阻塞 ?
    setfdNonBlock(accept_fd);
    // 从pool中获取一个线程处理连接
    SP_HandleThread t = pool.getThread();
    t->addFd(accept_fd);
  }
}

代码比较长，但不难，大家可以fork下来慢慢看。

使用了智能指针，避免忘记回收堆上的资源。

大家可能会发现代码有两次注释添加了"?"，第一处是在创建线程池后，sleep了1秒，这个当成本节的思考题，大家可以先思考，并想想有没有什么更好的解决办法？

第二处是在获取到accept_fd后，将fd设置为非阻塞了。下面我们展开具体讲讲。

非阻塞与IO多路复用更搭

首先我们先聊聊阻塞IO调用和非阻塞IO调用的区别。

阻塞IO调用：进程在调用IO操作时，如果没有数据可读或缓冲区没有空闲空间可写，导致IO操作未完成，进程被阻塞挂起，后续操作将无法执行。比如下面代码，如果客户端建立连接后，一直不发送数据，那服务端执行就会阻塞在read调用，后面的printf无法被执行到。

int accept_fd = accept(...);
char read_msg[100];
int read_num = read(accept_fd, read_msg, 100);
printf("i am a log\n");

小提示：上面的代码即使客户端只发了1个字节的数据，服务端read调用也会返回，并不是要等到读满100个字节才会返回。

非阻塞IO调用: 进程在调用IO操作时，即使IO操作未完成，该IO调用也会立刻返回，之后进程可以进行后续操作。比如下面代码，将accept_fd设置为非阻塞后，再调用read，这时即使客户端没有发数据，服务端也不会一直卡在read调用上，后面的printf能顺利打印出来。

int accept_fd = accept(...);
// 将fd设置为非阻塞
setfdNonBlock(accept_fd);
char read_msg[100];
int read_num = read(accept_fd, read_msg, 100);
printf("i am a log\n");

下面我们再说下为什么IO多路复用要搭配非阻塞IO？

在前面，我们使用epoll实现了一个线程管理多个套接字，当某个套接字有读写事件时，epoll_wait调用返回，告诉我们哪些套接字能读，但并不会告诉我们某个套接字上有多少数据可读。

  • 使用非阻塞IO处理方式：我们只要循环的read，直到读完全部的数据即可（read返回0）。
  • 使用阻塞IO处理方式：每次只能调用一次read，因为我们并不知道下一次循环中还有没有数据可读，如果没数据就会阻塞整个进程了，所以只能等待下一次的epoll_wait返回了。这对于水平触发还可行，但对于边缘触发就不行了，因为我们不知道这个套接字还会不会有新数据写入，如果对端不再写入新数据，那缓冲区中剩下的数据就再也读不到了。

参考文章

如果这篇文章说不清epoll的本质，那就过来掐死我吧！

写在最后

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当前题目：【系列教程】 真正的高并发还得看IO多路复用
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