发布一个基于协程和事件循环的c++网络库

项目地址：https://github.com/gatsbyd/melon

介绍

开发服务端程序的一个基本任务是处理并发连接，现在服务端网络编程处理并发连接主要有两种方式：

1. 当“线程”很廉价时，一台机器上可以创建远高于CPU数目的“线程”。这时一个线程只处理一个TCP连接，通常使用阻塞IO。例如Go goroutine。这里的“线程”由语言的runtime自行调度。
2. 当线程很宝贵时，一台机器上只能创建与CPU数目相当的线程。这时一个线程要处理多个TCP连接上的IO，通常使用非阻塞IO和IO multiplexing。C++编程主要采用这种方式。

在线程很宝贵的情况下，常见的服务器编程模型有如下几种：

1. 每个请求创建一个线程，使用阻塞式IO操作（或者叫thread per connection）。这种模型的优点是可以使用阻塞操作，缺点是伸缩性不强，每台机器能创建的线程是有限的，32位的机器应该不超过400个。
2. 非阻塞IO+IO多路复用（或者叫one loop per thread或者Reactor）+ 线程池。

melon是基于Reactor模式的Linux C++网络服务框架，集合了上述两种方式，实现了协程的概念，对一些函数进行了hook，所以可以像操作阻塞IO一样进行编程。

使用

在工程主目录下新建build目录，进入build目录，

cmake ..
make  all

编译完成后，example和test中的可执行程序分别位于build目录下的example和test中。

以echo服务端为例，

void handleClient(TcpConnection::Ptr conn){
    conn->setTcpNoDelay(true);
    Buffer::Ptr buffer = std::make_shared<Buffer>();
    while (conn->read(buffer) > 0) {
        conn->write(buffer);
    }

    conn->close();
}


int main(int args, char* argv[]) {
    if (args != 2) {
        printf("Usage: %s threads\n", argv[0]);
        return 0;
    }
    Logger::setLogLevel(LogLevel::INFO);
    Singleton<Logger>::getInstance()->addAppender("console", LogAppender::ptr(new ConsoleAppender()));

    IpAddress listen_addr(5000);
    int threads_num = std::atoi(argv[1]);

    Scheduler scheduler(threads_num);
    scheduler.startAsync();
    TcpServer server(listen_addr, &scheduler);
    server.setConnectionHandler(handleClient);
    server.start();

    scheduler.wait();
    return 0;
}

只需要为TcpServer设置连接处理函数，在连接处理函数中，参数TcpConnection::Ptr conn代表此次连接，可以像阻塞IO一样进行读写，如果发生阻塞，当前协程会被切出去，直到可读或者可写事件到来时，该协程会被重新执行。

性能

硬件环境：Intel Core i7-8550U CPU 1.80GHz，8核，8G RAM
软件环境：操作系统为Ubuntu 16.04.2 LTS，g++版本5.4.0
测试对象：asio 1.14.0, melon 0.1.0

测试方法：
根据asio的测试方法，用echo协议来测试。客户端和服务端建立连接，客户端向服务端发送一些数据，服务端收到后将数据原封不动地发回给客户端，客户端收到后再将数据发给服务端，直到一方断开连接位置。
melon的测试代码在test/TcpClient_test.cpp和test/TcpServer_test.cpp。
asio的测试代码在/src/tests/performance目录下的client.cpp和server.cpp。

测试1：客户端和服务器运行在同一台机器上，均为单线程，测试并发数为1/10/100/1000/10000的吞吐量。

吞吐量（MiB/s）	1	10	100	1000
melon	202	388	376	327
asio	251	541	489	436

测试2：客户端和服务器运行在同一台机器上，均为开启两个线程，测试并发连接数100的吞吐量。

吞吐量（MiB/s）	2个线程
melon	499
asio	587

从数据看目前melon的性能还不及asio，但是考虑到melon存在协程切换的成本和0.1.0版本没有上epoll，协程切换也是用的ucontext，总体来说可以接受。

实现

日志库

需求

1. 有多种日志级别，DEBUG, INFO, WARN, ERROR, FATAL。
2. 可以有多个目的地，比如文件，控制台，可以拓展。
3. 日志文件达到指定大小时自动roll。
4. 时间戳精确到微秒。使用gettimeofday(2)，在x86-64Linux上不会陷入内核。
5. 线程安全。
6. 写日志过程不能是同步的，否则会阻塞IO线程。

这是个典型的生产者-消费者问题。产生日志的线程将日志先存到缓冲区，日志消费线程将缓冲区中的日志写到磁盘。要保证两个线程的临界区尽可能小。

总体结构如下

日志结构

每条LOG_DEBUG等语句对应创建一个匿名LogWrapper对象，同时搜集日志信息保存到LogEvent对象中，匿名对象创建完毕就会调用析构函数，在LogWrapper析构函数中将LogEvent送到Logger中，Logger再送往不同的目的地，比如控制台，文件等。

异步文件Appender实现

AsyncFileAppend对外提供append方法，前端Logger只需要调用这个方法往里面塞日志，不用担心会被阻塞。

前端和后端都维护一个缓冲区。
第一种情况：前端写日志较慢，三秒内还没写满一个缓冲区。后端线程会被唤醒，进入临界区，在临界区内交换两个buffer的指针，出临界区后前端cur指向的缓冲区又是空的了，后端buffer指向的缓冲区为刚才搜集了日志的缓冲区，后端线程随后将buffer指向的缓冲区中的日志写到磁盘中。临界区内只交换两个指针，所以临界区很小。
情况1

第二种情况：前端写日志较快，三秒内已经写满了一个缓冲区。比如两秒的时候已经写满了第一个缓冲区，那么将cur指针保存到一个向量buffers_中，然后开辟一块新的缓冲区，另cur指向这块新缓冲区。然后唤醒后端消费线程，后端线程进入临界区，将cur和后端buffer_指针进行交换，将前端buffers_向量和后端persist_buffers_向量进行swap(对于std::vector也是指针交换)。出了临界区后，前端的cur始终指向一块干净的缓冲区，前端的向量buffers_也始终为空，后端的persist_buffers_向量中始终保存着有日志的缓冲区的指针。临界区同样很小仅仅是几个指针交换。
情况2

协程

类图

协程类图

成员变量：

1. c_id_：当前协程id。
2. context_：协程上下文。
3. cb_：协程执行的函数。
4. stack_size_：协程栈大小。
5. statck_：协程栈。
6. state_：协程状态。

成员函数：

1. swapIn()：执行当前协程，只能由主协程调用。
2. SwapOut()：静态函数，让出当前协程的CPU，执行主协程，主协程会进行协程调度，将CPU控制权转到另一个协程。
3. GetCurrentCoroutine()：获取当前线程正在执行的协程。
4. GetMainCoroutine()：获取当前线程的的主协程。

原理

ucontext系列函数：
1.int getcontext(ucontext_t *ucp)： 将此刻的上下文保存到ucp指向的结构中。

1. int setcontext(const ucontext_t *ucp)： 调用成功后不会返回，执行流转移到ucp指向的上下文。
2. void makecontext(ucontext_t *ucp, void (*func)(), int argc, ...)：重新设置ucp指向的上下文为func函数起始处。ucp结构由getcontext()获取。后续以ucp为参数调用setcontext()或者swapcontext()执行流将转到func函数。
3. int swapcontext(ucontext_t *oucp, const ucontext_t *ucp)：保存当前上下文到oucp，并激活ucp指向的上下文。

需要考虑的问题

协程栈大小

不能太大：协程多了，内存浪费。
不能太小：使用者可能无意在栈上分配一个缓冲区，导致栈溢出。
暂时先固定为128K。

调度策略

目前是非抢占式调度。只能由协程主动或者协程执行完毕，才会让出CPU。

协程同步

两个协程间可能需要同步操作，比如协程1需要等待某个条件才能继续运行，线程2修改条件然后通知协程1。
目前实现了简陋的wait/notify机制，见CoroutineCondition。

协程调度

类图

协程调度

Processer

线程栈上的对象，线程退出后自动销毁，生命周期大可不必操心。

成员变量：

1. poller_：Poller。
2. coroutines_：当前线程待执行的协程队列。

成员函数：

1. addTask()：添加任务。
2. run()：开始进行协程调度。

协程调度示意图

协程调度示意图

每个线程都有一个本地变量t_cur_cotourine指向当前正在执行的协程对象。

调度过程

Processer.run()函数作为Main协程进行调度，没有协程在协程队列时，执行Poll协程，该协程执行poll()函数。以read操作为例，某个协程在执行read的操作时，如果数据没有准备好，就会将<fd， 当前协程对象>对注册到Poller中，然后挂起。如果所有协程都阻塞了，那么会执行Poll协程等待poll()函数返回，poll()函数返回后，如果有事件发生，会根据之前注册的<fd， 协程对象>，将协程对象重新加入调度队列，此时read已经有数据可读了。

Main协程对应的代码逻辑如下：

void Processer::run() {
    if (GetProcesserOfThisThread() != nullptr) {
        LOG_FATAL << "run two processer in one thread";
    } else {
        GetProcesserOfThisThread() = this;
    }
    melon::setHookEnabled(true);
    Coroutine::Ptr cur;

    //没有可以执行协程时调用poll协程
    Coroutine::Ptr poll_coroutine = std::make_shared<Coroutine>(std::bind(&Poller::poll, &poller_, kPollTimeMs), "Poll");

    while (!stop_) {
        {
            MutexGuard guard(mutex_);
            //没有协程时执行poll协程
            if (coroutines_.empty()) {
                cur = poll_coroutine;
                poller_.setPolling(true);
            } else {
                for (auto it = coroutines_.begin();
                        it != coroutines_.end();
                            ++it) {
                    cur = *it;
                    coroutines_.erase(it);
                    break;
                }
            }
        }
        cur->swapIn();
        if (cur->getState() == CoroutineState::TERMINATED) {
            load_--;
        }
    }
}

Poll协程对应的代码逻辑如下：

void PollPoller::poll(int timeout) {
    while (!processer_->stoped()) {
        is_polling_ = true;
        int num = ::poll(&*pollfds_.begin(), pollfds_.size(), timeout);
        is_polling_ = false;
        if (num == 0) {
        } else if (num < 0) {
            if (errno != EINTR) {
                LOG_ERROR << "poll error, errno: " << errno << ", error str:" << strerror(errno);
            }
        } else {
            std::vector<int> active_fds;
            for (const auto& pollfd : pollfds_) {
                if (pollfd.revents > 0) {
                    --num;
                    active_fds.push_back(pollfd.fd);
                    if (num == 0) {
                        break;
                    }
                }
            }
            for (const auto& active_fd : active_fds) {
                auto coroutine = fd_to_coroutine_[active_fd];
                assert(coroutine != nullptr);

                removeEvent(active_fd);
                processer_->addTask(coroutine);
            }   
        }
        Coroutine::SwapOut();
    }
}
}

为什么需要一个wake协程

可能出现这种情况：正在执行Poll协程，并且没有事件到达，这时新加入一个协程，如果没有机制将Poll协程从poll()函数中唤醒，那么这个新的协程将无法得到执行。wake协程会read eventfd，此时会将<eventfd, wake协程>注册到Poller中，如果有新的协程加入，会往eventfd写1字节的数据，那么poll()函数就会被唤醒，从而Poll协程让出CPU，新加入的协程被调度。

定时器

原理

#include <sys/timerfd.h>
int timerfd_create(int clockid, int flags); //创建一个timer对象，返回一个文件描述符timer fd代表这个timer对象。
int timerfd_settime(int fd, int flags,
                           const struct itimerspec *new_value,
                           struct itimerspec *old_value);  //为timer对象设置一个时间间隔，倒计时结束后timer fd将变为可读。

定时器

1. 定时器专门占用一个线程。这个线程中加入一个定时器协程，该协程会去读取timer fd，可读后说明有定时器超时，然后执行定时器对应的任务。
2. TimerManager维护一个定时器队列。每一项包含定时器触发时间和对应的回调。
3. TimerManager.addTimer()将新的<timer, 回调>加入到队列中。如果这个定时器是最先到期的那么调用timerfd_settime()重新设置timer fd的到期时间。timer fd到期后，将从Poll协程中返回，然后执行定时器协程，该协程中读取timer fd，然后根据现在的时间，将定时器队列中超时的项删除，并将超时的项的回调作为新的协程执行。
4. 这个队列可以由multimap来实现，multimap由红黑树实现，内部是有序的。红黑树本质就是一颗二叉树，只不过为了防止多次的操作变得不平衡，增加了一些维持平衡的操作。
5. 如何删除定时器，每个定时器分配一个id，TimerManager内部维护一个id到定时器时间戳的映射sequence_2_timestamp_。cancel()时，根据id去sequence_2_timestamp_中找有没有对应的定时器，如果有，将这个时间戳从时间戳队列中删除，必要时重新调用timerfd_settime()。

Hook

要想实现在协程中遇到耗时操作不阻塞当前IO线程，需要对一些系统函数进行hook。

1. 可以用dlsym(3)来获取想要hook的函数的函数指针，先保存起来，如果想要用到原函数，可以通过保存的函数指针进行调用。
2. 定义自己的同名函数，覆盖想要hook的函数。以sleep(3)为例。

unsigned int sleep(unsigned int seconds) {
    melon::Processer* processer = melon::Processer::GetProcesserOfThisThread();
    if (!melon::isHookEnabled()) {
        return sleep_f(seconds);
    }

    melon::Scheduler* scheduler = processer->getScheduler();
    assert(scheduler != nullptr);
    scheduler->runAt(melon::Timestamp::now() + seconds * melon::Timestamp::kMicrosecondsPerSecond, melon::Coroutine::GetCurrentCoroutine());
    melon::Coroutine::SwapOut();
    return 0;
}

我们自己定义的sleep不会阻塞线程，而是将当前协程切出去，让CPU执行其它协程，等时间到了再执行当前协程。这样就模拟了sleep的操作，同时不会阻塞当前线程。

RPC实现

参数序列化及反序列化

rpc说简单点就是将参数传给服务端，服务端根据参数找到对应的函数执行，得出一个响应，再将响应传回给客户端。客户端的参数对象如何通过网络传到服务端呢？这就涉及到序列化和反序列化。
melon选择Protobuf，Protobuf具有很强的反射能力，在仅知道typename的情况下就能创建typename对应的对象。

google::protobuf::Message* ProtobufCodec::createMessage(const std::string& typeName) {
    google::protobuf::Message* message = nullptr;
    const google::protobuf::Descriptor* descriptor =
            google::protobuf::DescriptorPool::generated_pool()->FindMessageTypeByName(typeName);
    if (descriptor) {
        const google::protobuf::Message* prototype =
            google::protobuf::MessageFactory::generated_factory()->GetPrototype(descriptor);
        if (prototype) {
            message = prototype->New();
        }
    }
    return message;
}

上述函数根据参数typename就能创建一个Protobuf对象，这个新建的对象结合序列化后的Protobuf数据就能在服务端生成一个和客户端一样的Protobuf对象。

数据格式

|-------------------|
|   total  byte     |        总的字节数
|-------------------|
|     typename      |         类型名
|-------------------|
|    typename len   |         类型名长度
|-------------------|
|   protobuf data   |          Protobuf对象序列化后的数据
|-------------------|
|       checksum    |        整个消息的checksum
|-------------------|

某次rpc的过程如下：

客户端包装请求并发送    ---------------->     服务端接收请求
                                            服务端解析请求，找到并执行对应的service::method
客户端接收响并解析      <----------------     服务端将响应发回给客户端