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# 33 | 自己动手写高性能HTTP服务器（二）：I/O模型和多线程模型实现
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你好，我是盛延敏，这里是网络编程实战第33讲，欢迎回来。
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这一讲，我们延续第32讲的话题，继续解析高性能网络编程框架的I/O模型和多线程模型设计部分。
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## 多线程设计的几个考虑
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在我们的设计中，main reactor线程是一个acceptor线程，这个线程一旦创建，会以event\_loop形式阻塞在event\_dispatcher的dispatch方法上，实际上，它在等待监听套接字上的事件发生，也就是已完成的连接，一旦有连接完成，就会创建出连接对象tcp\_connection，以及channel对象等。
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当用户期望使用多个sub-reactor子线程时，主线程会创建多个子线程，每个子线程在创建之后，按照主线程指定的启动函数立即运行，并进行初始化。随之而来的问题是，**主线程如何判断子线程已经完成初始化并启动，继续执行下去呢？这是一个需要解决的重点问题。**
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在设置了多个线程的情况下，需要将新创建的已连接套接字对应的读写事件交给一个sub-reactor线程处理。所以，这里从thread\_pool中取出一个线程，**通知这个线程有新的事件加入。而这个线程很可能是处于事件分发的阻塞调用之中，如何协调主线程数据写入给子线程，这是另一个需要解决的重点问题。**
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子线程是一个event\_loop线程，它阻塞在dispatch上，一旦有事件发生，它就会查找channel\_map，找到对应的处理函数并执行它。之后它就会增加、删除或修改pending事件，再次进入下一轮的dispatch。
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这张图阐述了线程的运行关系。
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为了方便你理解，我把对应的函数实现列在了另外一张图中。
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## 主线程等待多个sub-reactor子线程初始化完
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主线程需要等待子线程完成初始化，也就是需要获取子线程对应数据的反馈，而子线程初始化也是对这部分数据进行初始化，实际上这是一个多线程的通知问题。采用的做法在[前面](https://time.geekbang.org/column/article/145464)讲多线程的时候也提到过，使用mutex和condition两个主要武器。
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下面这段代码是主线程发起的子线程创建，调用event\_loop\_thread\_init对每个子线程初始化，之后调用event\_loop\_thread\_start来启动子线程。注意，如果应用程序指定的线程池大小为0，则直接返回，这样acceptor和I/O事件都会在同一个主线程里处理，就退化为单reactor模式。
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//一定是main thread发起
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void thread_pool_start(struct thread_pool *threadPool) {
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assert(!threadPool->started);
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assertInSameThread(threadPool->mainLoop);
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threadPool->started = 1;
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void *tmp;
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if (threadPool->thread_number <= 0) {
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return;
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}
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threadPool->eventLoopThreads = malloc(threadPool->thread_number * sizeof(struct event_loop_thread));
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for (int i = 0; i < threadPool->thread_number; ++i) {
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event_loop_thread_init(&threadPool->eventLoopThreads[i], i);
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event_loop_thread_start(&threadPool->eventLoopThreads[i]);
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}
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}
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我们再看一下event\_loop\_thread\_start这个方法，这个方法一定是主线程运行的。这里我使用了pthread\_create创建了子线程，子线程一旦创建，立即执行event\_loop\_thread\_run，我们稍后将看到，event\_loop\_thread\_run进行了子线程的初始化工作。这个函数最重要的部分是使用了pthread\_mutex\_lock和pthread\_mutex\_unlock进行了加锁和解锁，并使用了pthread\_cond\_wait来守候eventLoopThread中的eventLoop的变量。
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//由主线程调用，初始化一个子线程，并且让子线程开始运行event_loop
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struct event_loop *event_loop_thread_start(struct event_loop_thread *eventLoopThread) {
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pthread_create(&eventLoopThread->thread_tid, NULL, &event_loop_thread_run, eventLoopThread);
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assert(pthread_mutex_lock(&eventLoopThread->mutex) == 0);
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while (eventLoopThread->eventLoop == NULL) {
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assert(pthread_cond_wait(&eventLoopThread->cond, &eventLoopThread->mutex) == 0);
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}
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assert(pthread_mutex_unlock(&eventLoopThread->mutex) == 0);
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yolanda_msgx("event loop thread started, %s", eventLoopThread->thread_name);
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return eventLoopThread->eventLoop;
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}
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为什么要这么做呢？看一下子线程的代码你就会大致明白。子线程执行函数event\_loop\_thread\_run一上来也是进行了加锁，之后初始化event\_loop对象，当初始化完成之后，调用了pthread\_cond\_signal函数来通知此时阻塞在pthread\_cond\_wait上的主线程。这样，主线程就会从wait中苏醒，代码得以往下执行。子线程本身也通过调用event\_loop\_run进入了一个无限循环的事件分发执行体中，等待子线程reator上注册过的事件发生。
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```
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void *event_loop_thread_run(void *arg) {
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struct event_loop_thread *eventLoopThread = (struct event_loop_thread *) arg;
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pthread_mutex_lock(&eventLoopThread->mutex);
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// 初始化化event loop，之后通知主线程
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eventLoopThread->eventLoop = event_loop_init();
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yolanda_msgx("event loop thread init and signal, %s", eventLoopThread->thread_name);
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pthread_cond_signal(&eventLoopThread->cond);
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pthread_mutex_unlock(&eventLoopThread->mutex);
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//子线程event loop run
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eventLoopThread->eventLoop->thread_name = eventLoopThread->thread_name;
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event_loop_run(eventLoopThread->eventLoop);
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}
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可以看到，这里主线程和子线程共享的变量正是每个event\_loop\_thread的eventLoop对象，这个对象在初始化的时候为NULL，只有当子线程完成了初始化，才变成一个非NULL的值，这个变化是子线程完成初始化的标志，也是信号量守护的变量。通过使用锁和信号量，解决了主线程和子线程同步的问题。当子线程完成初始化之后，主线程才会继续往下执行。
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struct event_loop_thread {
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struct event_loop *eventLoop;
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pthread_t thread_tid; /* thread ID */
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pthread_mutex_t mutex;
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pthread_cond_t cond;
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char * thread_name;
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long thread_count; /* # connections handled */
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};
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你可能会问，主线程是循环在等待每个子线程完成初始化，如果进入第二个循环，等待第二个子线程完成初始化，而此时第二个子线程已经初始化完成了，该怎么办？
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注意我们这里一上来是加锁的，只要取得了这把锁，同时发现event\_loop\_thread的eventLoop对象已经变成非NULL值，可以肯定第二个线程已经初始化，就直接释放锁往下执行了。
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你可能还会问，在执行pthread\_cond\_wait的时候，需要持有那把锁么？这里，父线程在调用pthread\_cond\_wait函数之后，会立即进入睡眠，并释放持有的那把互斥锁。而当父线程再从pthread\_cond\_wait返回时（这是子线程通过pthread\_cond\_signal通知达成的），该线程再次持有那把锁。
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## 增加已连接套接字事件到sub-reactor线程中
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前面提到，主线程是一个main reactor线程，这个线程负责检测监听套接字上的事件，当有事件发生时，也就是一个连接已完成建立，如果我们有多个sub-reactor子线程，我们期望的结果是，把这个已连接套接字相关的I/O事件交给sub-reactor子线程负责检测。这样的好处是，main reactor只负责连接套接字的建立，可以一直维持在一个非常高的处理效率，在多核的情况下，多个sub-reactor可以很好地利用上多核处理的优势。
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不过，这里有一个令人苦恼的问题。
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我们知道，sub-reactor线程是一个无限循环的event loop执行体，在没有已注册事件发生的情况下，这个线程阻塞在event\_dispatcher的dispatch上。你可以简单地认为阻塞在poll调用或者epoll\_wait上，这种情况下，主线程如何能把已连接套接字交给sub-reactor子线程呢？
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当然有办法。
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如果我们能让sub-reactor线程从event\_dispatcher的dispatch上返回，再让sub-reactor线程返回之后能够把新的已连接套接字事件注册上，这件事情就算完成了。
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那如何让sub-reactor线程从event\_dispatcher的dispatch上返回呢？答案是构建一个类似管道一样的描述字，让event\_dispatcher注册该管道描述字，当我们想让sub-reactor线程苏醒时，往管道上发送一个字符就可以了。
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在event\_loop\_init函数里，调用了socketpair函数创建了套接字对，这个套接字对的作用就是我刚刚说过的，往这个套接字的一端写时，另外一端就可以感知到读的事件。其实，这里也可以直接使用UNIX上的pipe管道，作用是一样的。
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struct event_loop *event_loop_init() {
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...
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//add the socketfd to event 这里创建的是套接字对，目的是为了唤醒子线程
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eventLoop->owner_thread_id = pthread_self();
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if (socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, eventLoop->socketPair) < 0) {
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LOG_ERR("socketpair set fialed");
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}
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eventLoop->is_handle_pending = 0;
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eventLoop->pending_head = NULL;
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eventLoop->pending_tail = NULL;
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eventLoop->thread_name = "main thread";
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struct channel *channel = channel_new(eventLoop->socketPair[1], EVENT_READ, handleWakeup, NULL, eventLoop);
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event_loop_add_channel_event(eventLoop, eventLoop->socketPair[1], channel);
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return eventLoop;
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}
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要特别注意的是这句代码，这告诉event\_loop的，是注册了socketPair\[1\]描述字上的READ事件，如果有READ事件发生，就调用handleWakeup函数来完成事件处理。
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struct channel *channel = channel_new(eventLoop->socketPair[1], EVENT_READ, handleWakeup, NULL, eventLoop);
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我们来看看这个handleWakeup函数：
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事实上，这个函数就是简单的从socketPair\[1\]描述字上读取了一个字符而已，除此之外，它什么也没干。它的主要作用就是让子线程从dispatch的阻塞中苏醒。
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int handleWakeup(void * data) {
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struct event_loop *eventLoop = (struct event_loop *) data;
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char one;
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ssize_t n = read(eventLoop->socketPair[1], &one, sizeof one);
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if (n != sizeof one) {
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LOG_ERR("handleWakeup failed");
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}
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yolanda_msgx("wakeup, %s", eventLoop->thread_name);
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}
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现在，我们再回过头看看，如果有新的连接产生，主线程是怎么操作的？在handle\_connection\_established中，通过accept调用获取了已连接套接字，将其设置为非阻塞套接字（切记），接下来调用thread\_pool\_get\_loop获取一个event\_loop。thread\_pool\_get\_loop的逻辑非常简单，从thread\_pool线程池中按照顺序挑选出一个线程来服务。接下来是创建了tcp\_connection对象。
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//处理连接已建立的回调函数
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int handle_connection_established(void *data) {
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struct TCPserver *tcpServer = (struct TCPserver *) data;
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struct acceptor *acceptor = tcpServer->acceptor;
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int listenfd = acceptor->listen_fd;
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struct sockaddr_in client_addr;
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socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
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//获取这个已建立的套集字，设置为非阻塞套集字
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int connected_fd = accept(listenfd, (struct sockaddr *) &client_addr, &client_len);
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make_nonblocking(connected_fd);
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yolanda_msgx("new connection established, socket == %d", connected_fd);
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//从线程池里选择一个eventloop来服务这个新的连接套接字
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struct event_loop *eventLoop = thread_pool_get_loop(tcpServer->threadPool);
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// 为这个新建立套接字创建一个tcp_connection对象，并把应用程序的callback函数设置给这个tcp_connection对象
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struct tcp_connection *tcpConnection = tcp_connection_new(connected_fd, eventLoop,tcpServer->connectionCompletedCallBack,tcpServer->connectionClosedCallBack,tcpServer->messageCallBack,tcpServer->writeCompletedCallBack);
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//callback内部使用
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if (tcpServer->data != NULL) {
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tcpConnection->data = tcpServer->data;
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}
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return 0;
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}
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在调用tcp\_connection\_new创建tcp\_connection对象的代码里，可以看到先是创建了一个channel对象，并注册了READ事件，之后调用event\_loop\_add\_channel\_event方法往子线程中增加channel对象。
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tcp_connection_new(int connected_fd, struct event_loop *eventLoop,
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connection_completed_call_back connectionCompletedCallBack,
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connection_closed_call_back connectionClosedCallBack,
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message_call_back messageCallBack, write_completed_call_back writeCompletedCallBack) {
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...
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//为新的连接对象创建可读事件
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struct channel *channel1 = channel_new(connected_fd, EVENT_READ, handle_read, handle_write, tcpConnection);
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tcpConnection->channel = channel1;
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//完成对connectionCompleted的函数回调
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if (tcpConnection->connectionCompletedCallBack != NULL) {
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tcpConnection->connectionCompletedCallBack(tcpConnection);
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}
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//把该套集字对应的channel对象注册到event_loop事件分发器上
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event_loop_add_channel_event(tcpConnection->eventLoop, connected_fd, tcpConnection->channel);
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return tcpConnection;
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}
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```
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请注意，到现在为止的操作都是在主线程里执行的。下面的event\_loop\_do\_channel\_event也不例外，接下来的行为我期望你是熟悉的，那就是加解锁。
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如果能够获取锁，主线程就会调用event\_loop\_channel\_buffer\_nolock往子线程的数据中增加需要处理的channel event对象。所有增加的channel对象以列表的形式维护在子线程的数据结构中。
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接下来的部分是重点，如果当前增加channel event的不是当前event loop线程自己，就会调用event\_loop\_wakeup函数把event\_loop子线程唤醒。唤醒的方法很简单，就是往刚刚的socketPair\[0\]上写一个字节，别忘了，event\_loop已经注册了socketPair\[1\]的可读事件。如果当前增加channel event的是当前event loop线程自己，则直接调用event\_loop\_handle\_pending\_channel处理新增加的channel event事件列表。
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int event_loop_do_channel_event(struct event_loop *eventLoop, int fd, struct channel *channel1, int type) {
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//get the lock
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pthread_mutex_lock(&eventLoop->mutex);
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assert(eventLoop->is_handle_pending == 0);
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//往该线程的channel列表里增加新的channel
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event_loop_channel_buffer_nolock(eventLoop, fd, channel1, type);
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//release the lock
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pthread_mutex_unlock(&eventLoop->mutex);
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//如果是主线程发起操作，则调用event_loop_wakeup唤醒子线程
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if (!isInSameThread(eventLoop)) {
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event_loop_wakeup(eventLoop);
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} else {
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//如果是子线程自己，则直接可以操作
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event_loop_handle_pending_channel(eventLoop);
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}
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return 0;
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}
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```
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如果是event\_loop被唤醒之后，接下来也会执行event\_loop\_handle\_pending\_channel函数。你可以看到在循环体内从dispatch退出之后，也调用了event\_loop\_handle\_pending\_channel函数。
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int event_loop_run(struct event_loop *eventLoop) {
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assert(eventLoop != NULL);
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struct event_dispatcher *dispatcher = eventLoop->eventDispatcher;
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if (eventLoop->owner_thread_id != pthread_self()) {
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exit(1);
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}
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yolanda_msgx("event loop run, %s", eventLoop->thread_name);
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struct timeval timeval;
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timeval.tv_sec = 1;
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while (!eventLoop->quit) {
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//block here to wait I/O event, and get active channels
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dispatcher->dispatch(eventLoop, &timeval);
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//这里处理pending channel，如果是子线程被唤醒，这个部分也会立即执行到
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event_loop_handle_pending_channel(eventLoop);
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}
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yolanda_msgx("event loop end, %s", eventLoop->thread_name);
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return 0;
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}
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```
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event\_loop\_handle\_pending\_channel函数的作用是遍历当前event loop里pending的channel event列表，将它们和event\_dispatcher关联起来，从而修改感兴趣的事件集合。
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这里有一个点值得注意，因为event loop线程得到活动事件之后，会回调事件处理函数，这样像onMessage等应用程序代码也会在event loop线程执行，如果这里的业务逻辑过于复杂，就会导致event\_loop\_handle\_pending\_channel执行的时间偏后，从而影响I/O的检测。所以，将I/O线程和业务逻辑线程隔离，让I/O线程只负责处理I/O交互，让业务线程处理业务，是一个比较常见的做法。
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## 总结
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在这一讲里，我们重点讲解了框架中涉及多线程的两个重要问题，第一是主线程如何等待多个子线程完成初始化，第二是如何通知处于事件分发中的子线程有新的事件加入、删除、修改。第一个问题通过使用锁和信号量加以解决；第二个问题通过使用socketpair，并将sockerpair作为channel注册到event loop中来解决。
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## 思考题
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和往常一样，给你布置两道思考题：
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第一道， 你可以修改一下代码，让sub-reactor默认的线程个数为cpu\*2。
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第二道，当前选择线程的算法是round-robin的算法，你觉得有没有改进的空间？如果改进的话，你可能会怎么做？
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欢迎在评论区写下你的思考，也欢迎把这篇文章分享给你的朋友或者同事，一起交流进步一下。
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