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2022-09-03 22:05:03 +08:00
# 28 | I/O多路复用进阶子线程使用poll处理连接I/O事件
你好我是盛延敏这里是网络编程实战第28讲欢迎回来。
在前面的第27讲中我们引入了reactor反应堆模式并且让reactor反应堆同时分发Acceptor上的连接建立事件和已建立连接的I/O事件。
我们仔细想想这种模式在发起连接请求的客户端非常多的情况下有一个地方是有问题的那就是单reactor线程既分发连接建立又分发已建立连接的I/O有点忙不过来在实战中的表现可能就是客户端连接成功率偏低。
再者新的硬件技术不断发展多核多路CPU已经得到极大的应用单reactor反应堆模式看着大把的CPU资源却不用有点可惜。
这一讲我们就将acceptor上的连接建立事件和已建立连接的I/O事件分离形成所谓的主-从reactor模式。
## 主-从reactor模式
下面的这张图描述了主-从reactor模式是如何工作的。
主-从这个模式的核心思想是主反应堆线程只负责分发Acceptor连接建立已连接套接字上的I/O事件交给sub-reactor负责分发。其中sub-reactor的数量可以根据CPU的核数来灵活设置。
比如一个四核CPU我们可以设置sub-reactor为4。相当于有4个身手不凡的反应堆线程同时在工作这大大增强了I/O分发处理的效率。而且同一个套接字事件分发只会出现在一个反应堆线程中这会大大减少并发处理的锁开销。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/92/2a/9269551b14c51dc9605f43d441c5a92a.png)
我来解释一下这张图我们的主反应堆线程一直在感知连接建立的事件如果有连接成功建立主反应堆线程通过accept方法获取已连接套接字接下来会按照一定的算法选取一个从反应堆线程并把已连接套接字加入到选择好的从反应堆线程中。
主反应堆线程唯一的工作就是调用accept获取已连接套接字以及将已连接套接字加入到从反应堆线程中。不过这里还有一个小问题主反应堆线程和从反应堆线程是两个不同的线程如何把已连接套接字加入到另外一个线程中呢更令人沮丧的是此时从反应堆线程或许处于事件分发的无限循环之中在这种情况下应该怎么办呢
我在这里先卖个关子,这是高性能网络程序框架要解决的问题。在实战篇里,我将为这些问题一一解开答案。
## 主-从reactor+worker threads模式
如果说主-从reactor模式解决了I/O分发的高效率问题那么work threads就解决了业务逻辑和I/O分发之间的耦合问题。把这两个策略组装在一起就是实战中普遍采用的模式。大名鼎鼎的Netty就是把这种模式发挥到极致的一种实现。不过要注意Netty里面提到的worker线程其实就是我们这里说的从reactor线程并不是处理具体业务逻辑的worker线程。
下面贴的一段代码就是常见的Netty初始化代码这里Boss Group就是acceptor主反应堆workerGroup就是从反应堆。而处理业务逻辑的线程通常都是通过使用Netty的程序开发者进行设计和定制一般来说业务逻辑线程需要从workerGroup线程中分离以便支持更高的并发度。
```
public final class TelnetServer {
static final int PORT = Integer.parseInt(System.getProperty("port", SSL? "8992" : "8023"));
public static void main(String[] args) throws Exception {
//产生一个reactor线程只负责accetpor的对应处理
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
//产生一个reactor线程负责处理已连接套接字的I/O事件分发
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(1);
try {
//标准的Netty初始通过serverbootstrap完成线程池、channel以及对应的handler设置注意这里讲bossGroup和workerGroup作为参数设置
ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.group(bossGroup, workerGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class)
.handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))
.childHandler(new TelnetServerInitializer(sslCtx));
//开启两个reactor线程无限循环处理
b.bind(PORT).sync().channel().closeFuture().sync();
} finally {
bossGroup.shutdownGracefully();
workerGroup.shutdownGracefully();
}
}
}
```
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/1e/b4/1e647269a5f51497bd5488b2a44444b4.png)
这张图解释了主-从反应堆下加上worker线程池的处理模式。
主-从反应堆跟上面介绍的做法是一样的。和上面不一样的是这里将decode、compute、encode等CPU密集型的工作从I/O线程中拿走这些工作交给worker线程池来处理而且这些工作拆分成了一个个子任务进行。encode之后完成的结果再由sub-reactor的I/O线程发送出去。
## 样例程序
```
#include <lib/acceptor.h>
#include "lib/common.h"
#include "lib/event_loop.h"
#include "lib/tcp_server.h"
char rot13_char(char c) {
if ((c >= 'a' && c <= 'm') || (c >= 'A' && c <= 'M'))
return c + 13;
else if ((c >= 'n' && c <= 'z') || (c >= 'N' && c <= 'Z'))
return c - 13;
else
return c;
}
//连接建立之后的callback
int onConnectionCompleted(struct tcp_connection *tcpConnection) {
printf("connection completed\n");
return 0;
}
//数据读到buffer之后的callback
int onMessage(struct buffer *input, struct tcp_connection *tcpConnection) {
printf("get message from tcp connection %s\n", tcpConnection->name);
printf("%s", input->data);
struct buffer *output = buffer_new();
int size = buffer_readable_size(input);
for (int i = 0; i < size; i++) {
buffer_append_char(output, rot13_char(buffer_read_char(input)));
}
tcp_connection_send_buffer(tcpConnection, output);
return 0;
}
//数据通过buffer写完之后的callback
int onWriteCompleted(struct tcp_connection *tcpConnection) {
printf("write completed\n");
return 0;
}
//连接关闭之后的callback
int onConnectionClosed(struct tcp_connection *tcpConnection) {
printf("connection closed\n");
return 0;
}
int main(int c, char **v) {
//主线程event_loop
struct event_loop *eventLoop = event_loop_init();
//初始化acceptor
struct acceptor *acceptor = acceptor_init(SERV_PORT);
//初始tcp_server可以指定线程数目这里线程是4说明是一个acceptor线程4个I/O线程没一个I/O线程
//tcp_server自己带一个event_loop
struct TCPserver *tcpServer = tcp_server_init(eventLoop, acceptor, onConnectionCompleted, onMessage,
onWriteCompleted, onConnectionClosed, 4);
tcp_server_start(tcpServer);
// main thread for acceptor
event_loop_run(eventLoop);
}
```
我们的样例程序几乎和第27讲的一样唯一的不同是在创建TCPServer时线程的数量设置不再是0而是4。这里线程是4说明是一个主acceptor线程4个从reactor线程每一个线程都跟一个event\_loop一一绑定。
你可能会问,这么简单就完成了主、从线程的配置?
答案是YES。这其实是设计框架需要考虑的地方一个框架不仅要考虑性能、扩展性也需要考虑可用性。可用性部分就是程序开发者如何使用框架。如果我是一个开发者我肯定关心框架的使用方式是不是足够方便配置是不是足够灵活等。
像这里可以根据需求灵活地配置主、从反应堆线程就是一个易用性的体现。当然因为时间有限我没有考虑woker线程的部分这部分其实应该是应用程序自己来设计考虑。网络编程框架通过回调函数暴露了交互的接口这里应用程序开发者完全可以在onMessage方法里面获取一个子线程来处理encode、compute和encode的工作像下面的示范代码一样。
```
//数据读到buffer之后的callback
int onMessage(struct buffer *input, struct tcp_connection *tcpConnection) {
printf("get message from tcp connection %s\n", tcpConnection->name);
printf("%s", input->data);
//取出一个线程来负责decode、compute和encode
struct buffer *output = thread_handle(input);
//处理完之后再通过reactor I/O线程发送数据
tcp_connection_send_buffer(tcpConnection, output);
return
```
## 样例程序结果
我们启动这个服务器端程序你可以从服务器端的输出上看到使用了poll作为事件分发方式。
多打开几个telnet客户端交互main-thread只负责新的连接建立每个客户端数据的收发由不同的子线程Thread-1、Thread-2、Thread-3和Thread-4来提供服务。
这里由于使用了子线程进行I/O处理主线程可以专注于新连接处理从而大大提高了客户端连接成功率。
```
$./poll-server-multithreads
[msg] set poll as dispatcher
[msg] add channel fd == 4, main thread
[msg] poll added channel fd==4
[msg] set poll as dispatcher
[msg] add channel fd == 7, main thread
[msg] poll added channel fd==7
[msg] event loop thread init and signal, Thread-1
[msg] event loop run, Thread-1
[msg] event loop thread started, Thread-1
[msg] set poll as dispatcher
[msg] add channel fd == 9, main thread
[msg] poll added channel fd==9
[msg] event loop thread init and signal, Thread-2
[msg] event loop run, Thread-2
[msg] event loop thread started, Thread-2
[msg] set poll as dispatcher
[msg] add channel fd == 11, main thread
[msg] poll added channel fd==11
[msg] event loop thread init and signal, Thread-3
[msg] event loop thread started, Thread-3
[msg] set poll as dispatcher
[msg] event loop run, Thread-3
[msg] add channel fd == 13, main thread
[msg] poll added channel fd==13
[msg] event loop thread init and signal, Thread-4
[msg] event loop run, Thread-4
[msg] event loop thread started, Thread-4
[msg] add channel fd == 5, main thread
[msg] poll added channel fd==5
[msg] event loop run, main thread
[msg] get message channel i==1, fd==5
[msg] activate channel fd == 5, revents=2, main thread
[msg] new connection established, socket == 14
connection completed
[msg] get message channel i==0, fd==7
[msg] activate channel fd == 7, revents=2, Thread-1
[msg] wakeup, Thread-1
[msg] add channel fd == 14, Thread-1
[msg] poll added channel fd==14
[msg] get message channel i==1, fd==14
[msg] activate channel fd == 14, revents=2, Thread-1
get message from tcp connection connection-14
fasfas
[msg] get message channel i==1, fd==14
[msg] activate channel fd == 14, revents=2, Thread-1
get message from tcp connection connection-14
fasfas
asfa
[msg] get message channel i==1, fd==5
[msg] activate channel fd == 5, revents=2, main thread
[msg] new connection established, socket == 15
connection completed
[msg] get message channel i==0, fd==9
[msg] activate channel fd == 9, revents=2, Thread-2
[msg] wakeup, Thread-2
[msg] add channel fd == 15, Thread-2
[msg] poll added channel fd==15
[msg] get message channel i==1, fd==15
[msg] activate channel fd == 15, revents=2, Thread-2
get message from tcp connection connection-15
afasdfasf
[msg] get message channel i==1, fd==15
[msg] activate channel fd == 15, revents=2, Thread-2
get message from tcp connection connection-15
afasdfasf
safsafa
[msg] get message channel i==1, fd==15
[msg] activate channel fd == 15, revents=2, Thread-2
[msg] poll delete channel fd==15
connection closed
[msg] get message channel i==1, fd==5
[msg] activate channel fd == 5, revents=2, main thread
[msg] new connection established, socket == 16
connection completed
[msg] get message channel i==0, fd==11
[msg] activate channel fd == 11, revents=2, Thread-3
[msg] wakeup, Thread-3
[msg] add channel fd == 16, Thread-3
[msg] poll added channel fd==16
[msg] get message channel i==1, fd==16
[msg] activate channel fd == 16, revents=2, Thread-3
get message from tcp connection connection-16
fdasfasdf
[msg] get message channel i==1, fd==14
[msg] activate channel fd == 14, revents=2, Thread-1
[msg] poll delete channel fd==14
connection closed
[msg] get message channel i==1, fd==5
[msg] activate channel fd == 5, revents=2, main thread
[msg] new connection established, socket == 17
connection completed
[msg] get message channel i==0, fd==13
[msg] activate channel fd == 13, revents=2, Thread-4
[msg] wakeup, Thread-4
[msg] add channel fd == 17, Thread-4
[msg] poll added channel fd==17
[msg] get message channel i==1, fd==17
[msg] activate channel fd == 17, revents=2, Thread-4
get message from tcp connection connection-17
qreqwrq
[msg] get message channel i==1, fd==16
[msg] activate channel fd == 16, revents=2, Thread-3
[msg] poll delete channel fd==16
connection closed
[msg] get message channel i==1, fd==5
[msg] activate channel fd == 5, revents=2, main thread
[msg] new connection established, socket == 18
connection completed
[msg] get message channel i==0, fd==7
[msg] activate channel fd == 7, revents=2, Thread-1
[msg] wakeup, Thread-1
[msg] add channel fd == 18, Thread-1
[msg] poll added channel fd==18
[msg] get message channel i==1, fd==18
[msg] activate channel fd == 18, revents=2, Thread-1
get message from tcp connection connection-18
fasgasdg
^C
```
## 总结
本讲主要讲述了主从reactor模式主从reactor模式中主reactor只负责连接建立的处理而把已连接套接字的I/O事件分发交给从reactor线程处理这大大提高了客户端连接的处理能力。从Netty的实现上来看也遵循了这一原则。
## 思考题
和往常一样,给你留两道思考题:
第一道从日志输出中你还可以看到main-thread首先加入了fd为4的套接字这个是监听套接字很好理解。可是这里的main-thread又加入了一个fd为7的套接字这个套接字是干什么用的呢
第二道你可以试着修改一下服务器端的代码把decode-compute-encode部分使用线程或者线程池来处理。
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