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muduo 源码剖析

muduo陈硕 大神个人开发的 C++ 的 TCP 网络编程库。muduo 基于 Reactor 模式实现。Reactor 模式也是目前大多数 Linux 端高性能网络编程框架和网络应用所选择的主要架构,例如内存数据库 Redis 和 Java 的 Netty 库等。

陈硕的《Linux 多线程服务器端编程》一书对 muduo 整个架构进行了非常详尽的介绍和分析,可以说是学习 muduo 源码和设计理念最好的资料了。这本书也非常推荐大家购买阅读,感觉是后台开发的必读书目了。

而本文则主要是从源码角度辅助理解整个 muduo 的实现,同时也姑且算是对 muduo 的一个小小的补充。

同时我也提供了一个 muduo 注释版,用以辅助理解 muduo 的源码。

muduo 的架构和概念

muduo 中类的职责和概念划分的非常清晰,在《Linux 多线程服务器端编程》一书的 6.3.1 章节有详细的介绍。实际上目前很多网络库的接口设计也都受到了 muduo 的影响,例如 360 的 evpp 等。

而 muduo 的整体风格受到 netty 的影响,整个架构依照 Reactor 模式,基本与如下图所示相符:

单线程 Reactor 模式

所谓 Reactor 模式,是有一个循环的过程,监听对应事件是否触发,触发时调用对应的 callback 进行处理。

这里的事件在 muduo 中包括 Socket 可读写事件、定时器事件。在其他网络库中如 libevent 也包括了 signal、用户自定义事件等。

负责事件循环的部分在 muduo 命名为 EventLoop,其他库如 netty、libevent 也都有对应的组件。

负责监听事件是否触发的部分,在 muduo 中叫做 Poller。muduo 提供了 epoll 和 poll 两种来实现,默认是 epoll 实现。
通过环境变量 MUDUO_USE_POLL 来决定是否使用 poll:

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Poller* Poller::newDefaultPoller(EventLoop* loop)
{
// 通过此环境变量来决定使用 poll 还是 epoll
if (::getenv("MUDUO_USE_POLL"))
{
return new PollPoller(loop);
}
else
{
return new EPollPoller(loop);
}
}

此外,图中的 acceptor 负责 accept 新连接,并将新连接分发到 subReactor。这个组件在 muduo 中也叫做 Acceptor
关于图中的其他部分,会在 [muduo 的线程模型](#muduo 的线程模型) 一节有详细介绍。

一个简单的例子

本文首先从最简单的 echo server 入手,来介绍 muduo 的基本使用,同时也方便后面概念的理解。

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void onMessage(const muduo::net::TcpConnectionPtr& conn,
muduo::net::Buffer* buf,
muduo::Timestamp time)
{
conn->send(buf);
}

int main()
{
muduo::net::EventLoop loop;
muduo::net::InetAddress listenAddr(2007);
TcpServer server(&loop, listenAddr);
server.setMessageCallback(onMessage);
server.start();
loop.loop();
}

echo-server 的代码量非常简洁。一个典型的 muduo 的 TcpServer 工作流程如下:

  1. 建立一个事件循环器 EventLoop
  2. 建立对应的业务服务器 TcpServer
  3. 设置 TcpServer 的 Callback
  4. 启动 server
  5. 开启事件循环

陈硕认为,TCP 网络编程的本质是处理三个半事件,即:

  1. 连接的建立
  2. 连接的断开:包括主动断开和被动断开
  3. 消息到达,文件描述符可读。
  4. 消息发送完毕。这个算半个事件。

我们接下来分析下 muduo 是怎么处理和实现这三个半事件的

连接的建立

在我们单纯使用 linux 的 API,编写一个简单的 Tcp 服务器时,建立一个新的连接通常需要四步:

步骤 1. socket() // 调用 socket 函数建立监听 socket
步骤 2. bind() // 绑定地址和端口
步骤 3. listen() // 开始监听端口
步骤 4. accept() // 返回新建立连接的 fd

我们接下来分析下,这四个步骤在 muduo 中都是何时进行的:

首先在 TcpServer 对象构建时,TcpServer 的属性 acceptor 同时也被建立。
在 Acceptor 的构造函数中分别调用了 socket 函数和 bind 函数完成了 ** 步骤 1 步骤 2**。
即,当 TcpServer server(&loop, listenAddr); 执行结束时,监听 socket 已经建立好,并已绑定到对应地址和端口了。

而当执行 server.start() 时,主要做了两个工作:

  1. 在监听 socket 上启动 listen 函数,也就是 ** 步骤 3**;
  2. 将监听 socket 的可读事件注册到 EventLoop 中。

此时,程序已完成对地址的监听,但还不够,因为此时程序的主角 EventLoop 尚未启动。
当调用 loop.loop() 时,程序开始监听该 socket 的可读事件。

当新连接请求建立时,可读事件触发,此时该事件对应的 callback 在 EventLoop::loop() 中被调用。
该事件的 callback 实际上就是 Acceptor::handleRead() 方法。

在 Acceptor::handleRead() 方法中,做了三件事:

  1. 调用了 accept 函数,完成了 ** 步骤 4**,实现了连接的建立。得到一个已连接 socket 的 fd
  2. 创建 TcpConnection 对象
  3. 将已连接 socket 的可读事件注册到 EventLoop 中。

这里还有一个需要注意的点,创建的 TcpConnnection 对象是个 shared_ptr,该对象会被保存在 TcpServer 的 connections 中。这样才能保证引用计数大于 0,对象不被释放。

至此,一个新的连接已完全建立好,其可读事件也已注册到 EventLoop 中了。

消息的读取

上节讲到,在新连接建立的时候,会将新连接的 socket 的可读事件注册到 EventLoop 中。
假如客户端发送消息,导致已连接 socket 的可读事件触发,该事件对应的 callback 同样也会在 EventLoop::loop() 中被调用。

该事件的 callback 实际上就是 TcpConnection::handleRead 方法。
在 TcpConnection::handleRead 方法中,主要做了两件事:

  1. 从 socket 中读取数据,并将其放入 inputbuffer 中
  2. 调用 messageCallback,执行业务逻辑。
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ssize_t n = inputBuffer_.readFd(channel_->fd(), &savedErrno);
if (n> 0)
{
messageCallback_(shared_from_this(), &inputBuffer_, receiveTime);
}

messageCallback 是在建立新连接时,将 TcpServer::messageCallback 方法 bind 到了 TcpConnection::messageCallback 的方法。

TcpServer::messageCallback 就是业务逻辑的主要实现函数。通常情况下,我们可以在里面实现消息的编解码、消息的分发等工作,这里就不再深入探讨了。

在我们上面给出的示例代码中,echo-server 的 messageCallback 非常简单,就是直接将得到的数据,重新 send 回去。在实际的业务处理中,一般都会调用 TcpConnection::send() 方法,给客户端回复消息。

这里需要注意的是,在 messageCallback 中,用户会有可能会把任务抛给自定义的 Worker 线程池处理。
但是这个在 Worker 线程池中任务,切忌直接对 Buffer 的操作。因为 Buffer 并不是线程安全的。

我们需要记住一个准则:

所有对 IO 和 buffer 的读写,都应该在 IO 线程中完成。

一般情况下,先在交给 Worker 线程池之前,应该现在 IO 线程中把 Buffer 进行切分解包等动作。将解包后的消息交由线程池处理,避免多个线程操作同一个资源。

消息的发送

用户通过调用 TcpConnection::send() 向客户端回复消息。由于 muduo 中使用了 OutputBuffer,因此消息的发送过程比较复杂。

首先需要注意的是线程安全问题, 对于消息的读写必须都在 EventLoop 的同一个线程 (通常称为 IO 线程) 中进行:
因此,TcpConnection::send 保证了线程安全性,它是这么做的:

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void TcpConnection::send(const StringPiece& message)
{
if (state_ == kConnected)
{
if (loop_->isInLoopThread())
{
sendInLoop(message);
}
else
{
loop_->runInLoop(
boost::bind(&TcpConnection::sendInLoop,
this, // FIXME
message.as_string()));
}
}
}

检测 send 的时候,是否在当前 IO 线程,如果是的话,直接进行写相关操作 sendInLoop
如果不在一个线程的话,需要将该任务抛给 IO 线程执行 runInloop, 以保证 write 动作是在 IO 线程中执行的。我们后面会讲解 runInloop 的具体实现。

在 sendInloop 中,做了下面几件事:

  1. 假如 OutputBuffer 为空,则直接向 socket 写数据
  2. 如果向 socket 写数据没有写完,则统计剩余的字节个数,并进行下一步。没有写完可能是因为此时 socket 的 TCP 缓冲区已满了。
  3. 如果此时 OutputBuffer 中的旧数据的个数和未写完字节个数之和大于 highWaterMark,则将 highWaterMarkCallback 放入待执行队列中
  4. 将对应 socket 的可写事件注册到 EventLoop 中

注意,直到发送的时候,才把 socket 的可写事件注册到了 EventLoop 中。之前只注册了可读事件。

连接 socket 的可写事件对应的 callback 是 TcpConnection::handleWrite()
当某个 socket 的可写事件触发时,TcpConnection::handleWrite 会做两个工作:

  1. 尽可能将数据从 OutputBuffer 中向 socket 中 write 数据
  2. 如果 OutputBuffer 没有剩余的,则 将该 socket 的可写事件移除,并调用 writeCompleteCallback

为什么要移除可写事件

因为当 OutputBuffer 中没数据时,我们不需要向 socket 中写入数据。但是此时 socket 一直是处于可写状态的, 这将会导致 TcpConnection::handleWrite() 一直被触发。然而这个触发毫无意义,因为并没有什么可以写的。

所以 muduo 的处理方式是,当 OutputBuffer 还有数据时,socket 可写事件是注册状态。当 OutputBuffer 为空时,则将 socket 的可写事件移除。

此外,highWaterMarkCallback 和 writeCompleteCallback 一般配合使用,起到限流的作用。在《linux 多线程服务器端编程》一书的 8.9.3 一节中有详细讲解。这里就不再赘述了

连接的断开

我们看下 muduo 对于连接的断开是怎么处理的。
连接的断开分为被动断开和主动断开。主动断开和被动断开的处理方式基本一致,因此本文只讲下被动断开的部分。

被动断开即远程端断开了连接,server 端需要感知到这个断开的过程,然后进行的相关的处理。

其中感知远程断开这一步是在 Tcp 连接的可读事件处理函数 handleRead 中进行的:当对 socket 进行 read 操作时,返回值为 0,则说明此时连接已断开。

接下来会做四件事情:

  1. 将该 TCP 连接对应的事件从 EventLoop 移除
  2. 调用用户的 ConnectionCallback
  3. 将对应的 TcpConnection 对象从 Server 移除。
  4. close 对应的 fd。此步骤是在析构函数中被动触发的,当 TcpConnection 对象被移除后,引用计数为 0,对象析构时会调用 close。

runInLoop 的实现

在讲解消息的发送过程时候,我们讲到为了保证对 buffer 和 socket 的写动作是在 io 线程中进行,使用了一个 runInLoop 函数,将该写任务抛给了 io 线程处理。

我们接下来看下 runInLoop 的实现:

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void EventLoop::runInLoop(const Functor& cb)
{
if (isInLoopThread())
{
cb();
}
else
{
queueInLoop(cb);
}
}

这里可以看到,做了一层判断。如果调用时是此 EventLoop 的运行线程,则直接执行此函数。
否则调用 queueInLoop 函数。我们看下 queueInLoop 的实现。

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void EventLoop::queueInLoop(const Functor& cb)
{
{
MutexLockGuard lock(mutex_);
pendingFunctors_.push_back(cb);
}

if (!isInLoopThread() || callingPendingFunctors_)
{
wakeup();
}
}

这里有两个动作:

  1. 加锁,然后将该函数放到该 EventLoop 的 pendingFunctors_队列中。
  2. 判断是否要唤醒 EventLoop,如果是则调用 wakeup() 唤醒该 EventLoop。

这里有几个问题:

  • 为什么要唤醒 EventLoop?
  • wakeup 是怎么实现的?
  • pendingFunctors_是如何被消费的?

为什么要唤醒 EventLoop

我们首先调用了 pendingFunctors_.push_back(cb);, 将该函数放在 pendingFunctors_中。EventLoop 的每一轮循环最后会调用 doPendingFunctors 依次执行这些函数。

而 EventLoop 的唤醒是通过 epoll_wait 实现的,如果此时该 EventLoop 中迟迟没有事件触发,那么 epoll_wait 一直就会阻塞。
这样会导致,pendingFunctors_迟迟不能被执行了。

所以对 EventLoop 的唤醒是必要的。

wakeup 是怎么实现的

muduo 这里采用了对 eventfd 的读写来实现对 EventLoop 的唤醒。

在 EventLoop 建立之后,就创建一个 eventfd,并将其可读事件注册到 EventLoop 中。

wakeup() 的过程本质上是对这个 eventfd 进行写操作,以触发该 eventfd 的可读事件。这样就起到了唤醒 EventLoop 的作用。

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void EventLoop::wakeup()
{
uint64_t one = 1;
sockets::write(wakeupFd_, &one, sizeof one);
}

很多库为了兼容 macos,往往使用 pipe 来实现这个功能。muduo 采用了 eventfd,性能更好些,但代价是不能支持 macos 了。不过 muduo 似乎从一开始的定位就不打算支持?

doPendingFunctors 的实现

本部分讲下 doPendingFunctors 的实现,muduo 是如何处理这些待处理的函数的,以及中间用了哪些优化操作。
代码如下所示:

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void EventLoop::doPendingFunctors()
{
std::vector<Functor> functors;

callingPendingFunctors_ = true;

{
MutexLockGuard lock(mutex_);
functors.swap(pendingFunctors_);
}

for (size_t i = 0; i < functors.size(); ++i)
{
functors[i]();
}
callingPendingFunctors_ = false;
}

从代码可以看到,函数非常简单。大概只有十行代码,但是这十行却有两个非常巧妙的措施。

**callingPendingFunctors_的作用 **

从代码可以看出,如果 callingPendingFunctors_为 false,则说明此时尚未开始执行 doPendingFunctors 函数。
这个有什么作用呢,我们需要结合下 queueInLoop 中,对是否执行 wakeup() 的判断

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if (!isInLoopThread() || callingPendingFunctors_)
{
wakeup();
}

这里还需要结合下 EventLoop 循环的实现,其中 doPendingFunctors()每轮循环的最后一步处理
如果调用 queueInLoop 和 EventLoop 在同一个线程,且 callingPendingFunctors_为 false 时,则说明:** 此时尚未执行到 doPendingFunctors()。**
那么此时即使不用 wakeup,也可以在之后照旧执行 doPendingFunctors() 了。

这么做的好处非常明显,可以减少对 eventfd 的 io 读写。

锁范围的减少
在此函数中,有一段特别的代码:

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std::vector<Functor> functors;
{
MutexLockGuard lock(mutex_);
functors.swap(pendingFunctors_);
}

这个作用是 pendingFunctors_和 functors 的内容进行交换,实际上就是此时 functors 持有了 pendingFunctors_的内容,而 pendingFunctors_被清空了。

这个好处是什么呢?
如果不这么做,直接遍历 pendingFunctors_, 然后处理对应的函数。这样的话,锁会一直等到所有函数处理完才会被释放。在此期间,queueInLoop 将不可用。

而以上的写法,可以极大减小锁范围,整个锁的持有时间就是 swap 那一下的时间。待处理函数执行的时候,其他线程还是可以继续调用 queueInLoop。

muduo 的线程模型

muduo 默认是单线程模型的,即只有一个线程,里面对应一个 EventLoop。这样整体对于线程安全的考虑可能就比较简单了,
但是 muduo 也可以支持以下几种线程模型:

主从 reactor 模式

主从 reactor 是 netty 的默认模型,一个 reactor 对应一个 EventLoop。主 Reactor 只有一个,只负责监听新的连接,accept 后将这个连接分配到子 Reactor 上。子 Reactor 可以有多个。这样可以分摊一个 Eventloop 的压力,性能方面可能会更好。如下图所示:

主从 Reactor 模式

在 muduo 中也可以支持主从 Reactor,其中主 Reactor 的 EventLoop 就是 TcpServer 的构造函数中的 EventLoop* 参数。Acceptor 会在此 EventLoop 中运行。

而子 Reactor 可以通过 TcpServer::setThreadNum(int) 来设置其个数。因为一个 Eventloop 只能在一个线程中运行,所以线程的个数就是子 Reactor 的个数。

如果设置了子 Reactor,新的连接会通过 Round Robin 的方式分配给其中一个 EventLoop 来管理。如果没有设置子 Reactor,则是默认的单线程模型,新的连接会再由主 Reactor 进行管理。

但其实这里似乎有些不合适的地方:多个 TcpServer 之间可以共享同一个主 EventLoop,但是子 Eventloop 线程池却不能共享,这个是每个 TcpServer 独有的。
这里不太清楚是 muduo 的设计问题,还是作者有意为之。不过 netty 的主 EventLoop 和子 Eventloop 池都是可以共享的。

业务线程池

对于一些阻塞型或者耗时型的任务,例如 MySQL 操作等。这些显然是不能放在 IO 线程(即 EventLoop 所在的线程)中运行的,因为会严重影响 EventLoop 的正常运行。具体原理可以查看 另外一篇博客

对于这类耗时型的任务,一般做法是可以放在另外单独线程池中运行,这样就不会阻塞 IO 线程的运行了。我们一般把这种处理耗时任务的线程叫做 Worker 线程。

muduo 本身没有提供一套直接使用 Worker 线程池的方式,但是 muduo 本身提供了线程池的相关类 ThreadPool。muduo 官方的推荐做法是,在 OnMessage 中,自行进行包的切分,然后将数据和对应的处理函数打包成 Task 的方式提交给线程池。

总结

个人认为,muduo 源码对于学习网络编程和项目设计非常有帮助, 里面几乎包含了大部分网络编程和框架设计的最佳实践,配合《Linux 多线程服务器端编程》一书,可以学到很多东西。
基于这几个方面来说,muduo 绝对是一个值得一探究竟的优质源码。
此外,不但是网络编程方面,如何将复杂的底层细节封装好,暴露出友好的通用业务层接口,如何设计类的职责,对象的生命周期管理等方面,muduo 都给了我们一个很好的示范。

参考

cyhone wechat