Reactor模式解析——muduo网络库

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最近一段时间阅读了muduo源码，读完的感受有一个感受就是有点乱。当然不是说代码乱，是我可能还没有完全消化和理解。为了更好的学习这个库，还是要来写一些东西促进一下。

我一边读一边尝试在一些地方改用c++11的新特性，这个工作持续在进行中。为啥这么干？没什么理由，纯粹是为了学习。

注：本文的大部分代码和图文都来自《Linux多线程服务端编程》，可直接参考muduo的源码,或者参考我这里抄着玩儿的版本。

Reactor介绍

什么是Reactor？ 换个名词“non-blocking IO + IO multiplexing”，意思就显而易见了。Reactor模式用非阻塞IO+poll(epoll)函数来处理并发，程序的基本结构是一个事件循环，以事件驱动和事件回调的方式实现业务逻辑。

while(!done)
{
    int retval  = poll(fds,nfds,timeout)
    if(retval < 0)
        处理错误，回调用户的error handler
    else{
        处理到期的timers,回调用户的timer handler
        if(retval > 0){
            处理IO事件，毁掉用户的IO event handler
        }
    }
}

这段代码形式上非常简单，跟我上一篇文章epoll的例子十分相似，除了没有处理超时timer部分。在muduo的实现中，定时器使用了linux平台的timerfd_*系列函数, timers和其它IO统一了起来。

单线程Reactor实现

muduo的Reactor核心主要由Channel、EventLoop、Poller、TimerQueue这几个类完成。乍一看还有一点绕，代码里面各种回掉函数看起来有点不直观。另外，这几个类的生命周期也值得注意，容易理不清楚。

1. Channel

Channel类比较简单，负责IO事件分发，每一个Channel对象都对应了一个fd，它的核心成员如下：

  EventLoop* loop_;
  const int fd_;
  int events_;
  int revents_;
  int index_;

  ReadEventCallback readCallback_;
  EventCallback writeCallback_;
  EventCallback errorCallback_;
  EventCallback closeCallback_;

几个callback函数都是c++新标准里面的function对象（muduo里面是Boost::function），它们会在handleEvent这个成员函数中根据不同的事件被调用。index_是poller类中pollfds_数组的下标。events_和revents_明显对应了struct pollfd结构中的成员。需要注意的是，Channel并不拥有该fd,它不会在析构函数中去关闭这个fd（fd是由Socket类的析构函数中关闭，即RAII的方法），Channel的生命周期由其owner负责。

2. Poller

Poller类在这里是poll函数的封装（在muduo源码里面是抽象基类，支持poll和epoll），它有两个核心的数据成员：

  typedef std::vector<struct pollfd> PollFdList;
  typedef std::map<int, Channel*> ChannelMap;  // fd to Channel
  PollFdList pollfds_;
  ChannelMap channels_;

ChannelMap是fd到Channel类的映射，PollFdList保存了每一个fd所关心的事件，用作参数传递到poll函数中，Channel类里面的index_即是这里的下标。Poller类有下面四个函数

Timestamp poll(int timeoutMs, ChannelList* activeChannels);
void updateChannel(Channel* channel);
void removeChannel(Channel* channel);
private:
void fillActiveChannels(int numEvents, ChannelList* activeChannels) const;

updateChannel和removeChannel都是对上面两个数据结构的操作，poll函数是对::poll的封装。私有的fillActiveChannels函数负责把返回的活动时间添加到activeChannels（vector<Channel*>）这个结构中，返回给用户。Poller的职责也很简单，负责IO multiplexing，一个EventLoop有一个Poller，Poller的生命周期和EventLoop一样长。

3. EventLoop

EventLoop类是核心，大多数类都会包含一个EventLoop*的成员，因为所有的事件都会在EventLoop::loop()中通过Channel分发。先来看一下这个loop循环:

while (!quit_)
{
    activeChannels_.clear();
    pollReturnTime_ = poller_->poll(kPollTimeMs, &activeChannels_);
    for (ChannelList::iterator it = activeChannels_.begin();
        it != activeChannels_.end(); ++it)
    {
      (*it)->handleEvent(pollReturnTime_);
    }
    doPendingFunctors();
}

handleEvent是Channel类的成员函数，它会根据事件的类型去调用不同的Callback。循环末尾还有一个doPendingFunctors()，这个函数的作用在后面多线程的部分去说明。
由上面三个类已经可以构成Reactor的核心，整个流程如下：

  • 用户通过Channel向Poller类注册fd和关心的事件

  • EventLoop从poll中返回活跃的fd和对应的Channel

  • 通过Channel去回掉相应的时间。

muduo的书里面有一个时序图（8-1），很清楚的说明了整个流程。

4. TimerQueue

muduo的定时器直接使用了标准的容器库set来管理。先看一下TimerQueue:

typedef std::shared_ptr<Timer> TimerPtr;
typedef std::pair<Timestamp, TimerPtr> Entry;
typedef std::set<Entry> TimerList;
Channel timerfdChannel_;
const int timerfd_;
TimerList timers_;

采用std::pair<Timestamp, TimerPtr> 加上set的 的形式是为了处理两个Timer同事到期的情况,即使到期时间相同,它们的地址也不同。timerfdChannel_是用来管理timerfd_create函数创建的fd。Timer类里面包含了一个回调函数和一个到期时间。expiration_就是上面Entry中的Timestamp。

const TimerCallback callback_;
Timestamp expiration_;

这样整个思路就很清晰了：

  • 用一个set来保存所有的事件和时间

  • 根据set集合里面最早的时间来更新timerfd_的到期时间（用timerfd_settime函数）

  • 时间到期后，EventLoop的poll函数会返回，并调用timerfdChannel_里面的handleEvent回调函数。

  • 通过handleEvent这个回调函数，再去处理到期的所有事件。

timerfdChannel_.setReadCallback(
    std::bind(&TimerQueue::handleRead,this));
timerfdChannel_.enableReading();

timerfdChannel_的callback函数注册了TimerQueue的handleRead函数。在handleRead中应该干什么就很明显了，自然是捞出所有到期的timer，一次去执行对应的事件：

void TimerQueue::handleRead()
{
  loop_->assertInLoopThread();
  Timestamp now(Timestamp::now());
  readTimerfd(timerfd_, now);
  std::vector<Entry> expired = getExpired(now);
  // safe to callback outside critical section
  for (std::vector<Entry>::iterator it = expired.begin();
      it != expired.end(); ++it)
  {
    it->second->run();
  }
  reset(expired, now);
}

至此为止，单线程的Reator就已经完成了。总感觉muduo这种事件回调的代码风格，读起来比较绕，不够直观。不知道其他的Reactor模式的网络程序会不会也是这种感觉。

多线程的技巧

多线程本质上是困难的，因为它强迫你的大脑去思考两件事情同时发生会出现的各种情况。我目前感觉除了看别人的经验和总结，没有什么技巧或者方法论来解决多线程的问题。

一个线程一个EventLoop，每个线程都有自己管理的各种ChannelList和TimerQueue。有时候，我们总有一些需求，要在各个线程之间调配任务。比如添加一个定时时间到IO线程中，这样TimerQueue就有两个线程同时访问。我认为muduo在处理上锁的问题上，很值得学习。

1. runInLoop()和queueInLoop()

先来看几个EventLoop里面重要的函数和成员：

std::vector<Functor> pendingFunctors_; // @GuardedBy mutex_
void EventLoop::runInLoop(Functor&& cb) {
  if (isInLoopThread()) {
    cb();
  } else {
    queueInLoop(std::move(cb));
  }
}
void EventLoop::queueInLoop(Functor&& cb) {
  {
    MutexLockGuard lock(mutex_);
    pendingFunctors_.push_back(cb);
  }
  if (!isInLoopThread() || callingPendingFunctors_) {
    wakeup();
  }
}

注意这里的函数参数，我用到了C++11的右值引用。
在前面的EventLoop::loop里面，我们已经看到了doPendingFunctors()这个函数，EventLoop还有一个重要的成员pendingFunctors_，该成员是暴露给其他线程的。这样，其他线程向IO线程添加定时时间的流程就是：

  • 其他线程调用runInLoop(),

  • 如果不是当前IO线程，再调用queueInLoop()

  • 在queueLoop中，将时间push到pendingFunctors_中，并唤醒当前IO线程
    注意这里的唤醒条件：不是当前IO线程肯定要唤醒；此外，如果正在调用Pending functor，也要唤醒；（为什么？，因为如果正在执行PendingFunctor里面，如果也执行了queueLoop，如果不唤醒的话，新加的cb就不会立即执行了。）

2.doPendingFunctors()

现在来看一下doPendingFunctors()这个函数：

void EventLoop::doPendingFunctors() {
  std::vector<Functor> functors;
  callingPendingFunctors_ = true;
  {
    // reduce the lenth of the critical section
    // avoid the dead lock cause the functor can call queueInloop(;)
    MutexLockGuard lock(mutex_);
    functors.swap(pendingFunctors_);
  }
  for (size_t i = 0; i < functors.size(); ++i) {
    functors[i]();
  }
  callingPendingFunctors_ = false;
}

doPendingFunctors并没有直接在临界区去执行functors,而是利用了一个栈对象，把事件swap到栈对象中，再去执行。这样做有两个好处：

  1. 减少了临界区的长度，其它线程调用queueInLoop对pendingFunctors加锁时，就不会被阻塞

  2. 避免了死锁，可能在functors里面也会调用queueInLoop()，从而造成死锁。

回过头来看，muduo在处理多线程加锁访问共享数据的策略上，有一个很重要的原则:拼命减少临界区的长度
试想一下，如果没有pendingFunctors_这个数据成员，我们要想往TimerQueue中添加timer，肯定要对TimerQueue里面的insert函数加锁，造成锁的争用，而pendingFunctors_这个成员将锁的范围减少到了一个vector的push_back操作上。此外，在doPendingFunctors中，利用一个栈对象减少临界区，也是很巧妙的一个重要技巧。

3.wake()

前面说到唤醒IO线程，EventLoop阻塞在poll函数上，怎么去唤醒及时它？以前的做法是利用pipe,向pipe中写一个字节，监视在这个pipe的读事件的poll函数就会立刻返回。在muduo中，采用了linux中eventfd调用

static int createEventfd() {
  int evtfd = ::eventfd(0, EFD_NONBLOCK | EFD_CLOEXEC);
  if (evtfd < 0) {
    LOG_SYSERR << "Failed in eventfd";
    abort();
  }
  return evtfd;
}
void EventLoop::wakeup() {
  uint64_t one = 1;
  ssize_t n = ::write(wakeupFd_, &one, sizeof one);
  if (n != sizeof one) {
    LOG_ERROR << "EventLoop::wakeup() writes " << n << " bytes instead of 8";
  }
}

把eventfd得到的fd和前面一样，通过Channel注册到poll里面，唤醒的时候，只需要向wakeupFd中写入一个字节，就能达到唤醒的目的。eventfd、timerfd都体现了linux的设计哲学，Everyting is a fd。

关于muduod的Reactor模式，现在我终于有一些理解了。关于TCPServer部分，下一篇再写。下一步，我会继续研究muduo的HTTP示例，并尝试扩展它。


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