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26 | 使用阻塞I/O和线程模型：换一种轻量的方式

你好，我是盛延敏，这里是网络编程实战第26讲，欢迎回来。

在前面一讲中，我们使用了进程模型来处理用户连接请求，进程切换上下文的代价是比较高的，幸运的是，有一种轻量级的模型可以处理多用户连接请求，这就是线程模型。这一讲里，我们就来了解一下线程模型。

线程（thread）是运行在进程中的一个“逻辑流”，现代操作系统都允许在单进程中运行多个线程。线程由操作系统内核管理。每个线程都有自己的上下文（context），包括一个可以唯一标识线程的ID（thread ID，或者叫tid）、栈、程序计数器、寄存器等。在同一个进程中，所有的线程共享该进程的整个虚拟地址空间，包括代码、数据、堆、共享库等。

在前面的程序中，我们没有显式使用线程，但这不代表线程没有发挥作用。实际上，每个进程一开始都会产生一个线程，一般被称为主线程，主线程可以再产生子线程，这样的主线程-子线程对可以叫做一个对等线程。

你可能会问，既然可以使用多进程来处理并发，为什么还要使用多线程模型呢？

简单来说，在同一个进程下，线程上下文切换的开销要比进程小得多。怎么理解线程上下文呢？我们的代码被CPU执行的时候，是需要一些数据支撑的，比如程序计数器告诉CPU代码执行到哪里了，寄存器里存了当前计算的一些中间值，内存里放置了一些当前用到的变量等，从一个计算场景，切换到另外一个计算场景，程序计数器、寄存器等这些值重新载入新场景的值，就是线程的上下文切换。

POSIX线程模型

POSIX线程是现代UNIX系统提供的处理线程的标准接口。POSIX定义的线程函数大约有60多个，这些函数可以帮助我们创建线程、回收线程。接下来我们先看一个简单的例子程序。

int another_shared = 0;

void thread_run(void *arg) {
    int *calculator = (int *) arg;
    printf("hello, world, tid == %d \n", pthread_self());
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        *calculator += 1;
        another_shared += 1;
    }
}

int main(int c, char **v) {
    int calculator;

    pthread_t tid1;
    pthread_t tid2;

    pthread_create(&tid1, NULL, thread_run, &calculator);
    pthread_create(&tid2, NULL, thread_run, &calculator);

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    printf("calculator is %d \n", calculator);
    printf("another_shared is %d \n", another_shared);
}

thread_helloworld程序中，主线程依次创建了两个子线程，然后等待这两个子线程处理完毕之后终止。每个子线程都在对两个共享变量进行计算，最后在主线程中打印出最后的计算结果。

程序的第18和19行分别调用了pthread_create创建了两个线程，每个线程的入口都是thread_run函数，这里我们使用了calculator这个全局变量，并且通过传地址指针的方式，将这个值传给了thread_run函数。当调用pthread_create结束，子线程会立即执行，主线程在此后调用了pthread_join函数等待子线程结束。

运行这个程序，很幸运，计算的结果是正确的。

$./thread-helloworld
hello, world, tid == 125607936 
hello, world, tid == 126144512 
calculator is 2000 
another_shared is 2000 

主要线程函数

创建线程

正如前面看到，通过调用pthread_create函数来创建一个线程。这个函数的原型如下：

int pthread_create(pthread_t *tid, const pthread_attr_t *attr,
　　　　　　　　　　　void *(*func)(void *), void *arg);

返回：若成功则为0，若出错则为正的Exxx值

每个线程都有一个线程ID（tid）唯一来标识，其数据类型为pthread_t，一般是unsigned int。pthread_create函数的第一个输出参数tid就是代表了线程ID，如果创建线程成功，tid就返回正确的线程ID。

每个线程都会有很多属性，比如优先级、是否应该成为一个守护进程等，这些值可以通过pthread_attr_t来描述，一般我们不会特殊设置，可以直接指定这个参数为NULL。

第三个参数为新线程的入口函数，该函数可以接收一个参数arg，类型为指针，如果我们想给线程入口函数传多个值，那么需要把这些值包装成一个结构体，再把这个结构体的地址作为pthread_create的第四个参数，在线程入口函数内，再将该地址转为该结构体的指针对象。

在新线程的入口函数内，可以执行pthread_self函数返回线程tid。

pthread_t pthread_self(void)

终止线程

终止一个线程最直接的方法是在父线程内调用以下函数：

void pthread_exit(void *status)

当调用这个函数之后，父线程会等待其他所有的子线程终止，之后父线程自己终止。

当然，如果一个子线程入口函数直接退出了，那么子线程也就自然终止了。所以，绝大多数的子线程执行体都是一个无限循环。

也可以通过调用pthread_cancel来主动终止一个子线程，和pthread_exit不同的是，它可以指定某个子线程终止。

int pthread_cancel(pthread_t tid)

回收已终止线程的资源

我们可以通过调用pthread_join回收已终止线程的资源：

int pthread_join(pthread_t tid, void ** thread_return)

当调用pthread_join时，主线程会阻塞，直到对应tid的子线程自然终止。和pthread_cancel不同的是，它不会强迫子线程终止。

分离线程

一个线程的重要属性是可结合的，或者是分离的。一个可结合的线程是能够被其他线程杀死和回收资源的；而一个分离的线程不能被其他线程杀死或回收资源。一般来说，默认的属性是可结合的。

我们可以通过调用pthread_detach函数可以分离一个线程：

int pthread_detach(pthread_t tid)

在高并发的例子里，每个连接都由一个线程单独处理，在这种情况下，服务器程序并不需要对每个子线程进行终止，这样的话，每个子线程可以在入口函数开始的地方，把自己设置为分离的，这样就能在它终止后自动回收相关的线程资源了，就不需要调用pthread_join函数了。

每个连接一个线程处理

接下来，我们改造一下服务器端程序。我们的目标是这样：每次有新的连接到达后，创建一个新线程，而不是用新进程来处理它。

#include "lib/common.h"

extern void loop_echo(int);

void thread_run(void *arg) {
    pthread_detach(pthread_self());
    int fd = (int) arg;
    loop_echo(fd);
}

int main(int c, char **v) {
    int listener_fd = tcp_server_listen(SERV_PORT);
    pthread_t tid;
    
    while (1) {
        struct sockaddr_storage ss;
        socklen_t slen = sizeof(ss);
        int fd = accept(listener_fd, (struct sockaddr *) &ss, &slen);
        if (fd < 0) {
            error(1, errno, "accept failed");
        } else {
            pthread_create(&tid, NULL, &thread_run, (void *) fd);
        }
    }

    return 0;
}

这个程序的第18行阻塞调用在accept上，一旦有新连接建立，阻塞调用返回，调用pthread_create创建一个子线程来处理这个连接。

描述连接最主要的是连接描述字，这里通过强制把描述字转换为void *指针的方式，完成了传值。如果你对这部分有点不理解，建议看一下C语言相关的指针部分内容。我们这里可以简单总结一下，虽然传的是一个指针，但是这个指针里存放的并不是一个地址，而是连接描述符的数值。

新线程入口函数thread_run里，第6行使用了pthread_detach方法，将子线程转变为分离的，也就意味着子线程独自负责线程资源回收。第7行，强制将指针转变为描述符数据，和前面将描述字转换为void *指针对应，第8行调用loop_echo方法处理这个连接的数据读写。

loop_echo的程序如下，在接收客户端的数据之后，再编码回送出去。

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;
}

void loop_echo(int fd) {
    char outbuf[MAX_LINE + 1];
    size_t outbuf_used = 0;
    ssize_t result;
    while (1) {
        char ch;
        result = recv(fd, &ch, 1, 0);

        //断开连接或者出错
        if (result == 0) {
            break;
        } else if (result == -1) {
            error(1, errno, "read error");
            break;
        }

        if (outbuf_used < sizeof(outbuf)) {
            outbuf[outbuf_used++] = rot13_char(ch);
        }

        if (ch == '\n') {
            send(fd, outbuf, outbuf_used, 0);
            outbuf_used = 0;
            continue;
        }
    }
}

运行这个程序之后，开启多个telnet客户端，可以看到这个服务器程序可以处理多个并发连接并回送数据。单独一个连接退出也不会影响其他连接的数据收发。

$telnet 127.0.0.1 43211
Trying 127.0.0.1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
aaa
nnn
^]
telnet> quit
Connection closed.

构建线程池处理多个连接

上面的服务器端程序虽然可以正常工作，不过它有一个缺点，那就是如果并发连接过多，就会引起线程的频繁创建和销毁。虽然线程切换的上下文开销不大，但是线程创建和销毁的开销却是不小的。

能不能对这个程序进行一些优化呢？

我们可以使用预创建线程池的方式来进行优化。在服务器端启动时，可以先按照固定大小预创建出多个线程，当有新连接建立时，往连接字队列里放置这个新连接描述字，线程池里的线程负责从连接字队列里取出连接描述字进行处理。

这个程序的关键是连接字队列的设计，因为这里既有往这个队列里放置描述符的操作，也有从这个队列里取出描述符的操作。

对此，需要引入两个重要的概念，一个是锁mutex，一个是条件变量condition。锁很好理解，加锁的意思就是其他线程不能进入；条件变量则是在多个线程需要交互的情况下，用来线程间同步的原语。

//定义一个队列
typedef struct {
    int number;  //队列里的描述字最大个数
    int *fd;     //这是一个数组指针
    int front;   //当前队列的头位置
    int rear;    //当前队列的尾位置
    pthread_mutex_t mutex;  //锁
    pthread_cond_t cond;    //条件变量
} block_queue;

//初始化队列
void block_queue_init(block_queue *blockQueue, int number) {
    blockQueue->number = number;
    blockQueue->fd = calloc(number, sizeof(int));
    blockQueue->front = blockQueue->rear = 0;
    pthread_mutex_init(&blockQueue->mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&blockQueue->cond, NULL);
}

//往队列里放置一个描述字fd
void block_queue_push(block_queue *blockQueue, int fd) {
    //一定要先加锁，因为有多个线程需要读写队列
    pthread_mutex_lock(&blockQueue->mutex);
    //将描述字放到队列尾的位置
    blockQueue->fd[blockQueue->rear] = fd;
    //如果已经到最后，重置尾的位置
    if (++blockQueue->rear == blockQueue->number) {
        blockQueue->rear = 0;
    }
    printf("push fd %d", fd);
    //通知其他等待读的线程，有新的连接字等待处理
    pthread_cond_signal(&blockQueue->cond);
    //解锁
    pthread_mutex_unlock(&blockQueue->mutex);
}

//从队列里读出描述字进行处理
int block_queue_pop(block_queue *blockQueue) {
    //加锁
    pthread_mutex_lock(&blockQueue->mutex);
    //判断队列里没有新的连接字可以处理，就一直条件等待，直到有新的连接字入队列
    while (blockQueue->front == blockQueue->rear)
        pthread_cond_wait(&blockQueue->cond, &blockQueue->mutex);
    //取出队列头的连接字
    int fd = blockQueue->fd[blockQueue->front];
    //如果已经到最后，重置头的位置
    if (++blockQueue->front == blockQueue->number) {
        blockQueue->front = 0;
    }
    printf("pop fd %d", fd);
    //解锁
    pthread_mutex_unlock(&blockQueue->mutex);
    //返回连接字
    return fd;
}  

这里有block_queue相关的定义和实现，并在关键的地方加了一些注释，有几个地方需要特别注意：

第一是记得对操作进行加锁和解锁，这里是通过pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock来完成的。

第二是当工作线程没有描述字可用时，需要等待，第43行通过调用pthread_cond_wait，所有的工作线程等待有新的描述字可达。第32行，主线程通知工作线程有新的描述符需要服务。

服务器端程序如下：

void thread_run(void *arg) {
    pthread_t tid = pthread_self();
    pthread_detach(tid);

    block_queue *blockQueue = (block_queue *) arg;
    while (1) {
        int fd = block_queue_pop(blockQueue);
        printf("get fd in thread, fd==%d, tid == %d", fd, tid);
        loop_echo(fd);
    }
}

int main(int c, char **v) {
    int listener_fd = tcp_server_listen(SERV_PORT);

    block_queue blockQueue;
    block_queue_init(&blockQueue, BLOCK_QUEUE_SIZE);

    thread_array = calloc(THREAD_NUMBER, sizeof(Thread));
    int i;
    for (i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) {
        pthread_create(&(thread_array[i].thread_tid), NULL, &thread_run, (void *) &blockQueue);
    }

    while (1) {
        struct sockaddr_storage ss;
        socklen_t slen = sizeof(ss);
        int fd = accept(listener_fd, (struct sockaddr *) &ss, &slen);
        if (fd < 0) {
            error(1, errno, "accept failed");
        } else {
            block_queue_push(&blockQueue, fd);
        }
    }

    return 0;
}

有了描述字队列，主程序变得非常简洁。第19-23行预创建了多个线程，组成了一个线程池。28-32行在新连接建立后，将连接描述字加入到队列中。

7-9行是工作线程的主循环，从描述字队列中取出描述字，对这个连接进行服务处理。

同样的，运行这个程序之后，开启多个telnet客户端，可以看到这个服务器程序可以正常处理多个并发连接并回显。

$telnet 127.0.0.1 43211
Trying 127.0.0.1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
aaa
nnn
^]
telnet> quit
Connection closed.

和前面的程序相比，线程创建和销毁的开销大大降低，但因为线程池大小固定，又因为使用了阻塞套接字，肯定会出现有连接得不到及时服务的场景。这个问题的解决还是要回到我在开篇词里提到的方案上来，多路I/O复用加上线程来处理，仅仅使用阻塞I/O模型和线程是没有办法达到极致的高并发处理能力。

总结

这一讲，我们使用了线程来构建服务器端程序。一种是每次动态创建线程，另一种是使用线程池提高效率。和进程相比，线程的语义更轻量，使用的场景也更多。线程是高性能网络服务器必须掌握的核心知识，希望你能够通过本讲的学习，牢牢掌握它。

思考题

和往常一样，给你留两道思考题。

第一道，连接字队列的实现里，有一个重要情况没有考虑，就是队列里没有可用的位置了，想想看，如何对这种情况进行优化？

第二道，我在讲到第一个hello-world计数器应用时，说“结果是幸运”这是为什么呢？怎么理解呢？

欢迎你在评论区写下你的思考，我会和你一起思考，也欢迎把这篇文章分享给你的朋友或者同事，一起交流一下。