memcached源码分析之线程模型

memcahced启动时线程处理的流程



memcached的多线程主要是通过实例化多个libevent实现的,分别是一个主线程和n个workers线程

无论是主线程还是workers线程全部通过libevent管理网络事件，实际上每个线程都是一个单独的libevent实例

主线程负责监听客户端的建立连接请求，以及accept 连接

workers线程负责处理已经建立好的连接的读写等事件

先看一下大致的图示：



首先看下主要的数据结构(thread.c)：

C代码


/* An item in the connection queue. */
typedef struct conn_queue_item CQ_ITEM;
struct conn_queue_item {
int sfd;
int init_state;
int event_flags;
int read_buffer_size;
int is_udp;
CQ_ITEM *next;
};

CQ_ITEM 实际上是主线程accept后返回的已建立连接的fd的封装

C代码


/* A connection queue. */
typedef struct conn_queue CQ;
struct conn_queue {
CQ_ITEM *head;
CQ_ITEM *tail;
pthread_mutex_t lock;
pthread_cond_t cond;
};

CQ是一个管理CQ_ITEM的单向链表

C代码


typedef struct {
pthread_t thread_id; /* unique ID of this thread */
struct event_base *base; /* libevent handle this thread uses */
struct event notify_event; /* listen event for notify pipe */
int notify_receive_fd; /* receiving end of notify pipe */
int notify_send_fd; /* sending end of notify pipe */
CQ new_conn_queue; /* queue of new connections to handle */
} LIBEVENT_THREAD;

这是memcached里的线程结构的封装，可以看到每个线程都包含一个CQ队列，一条通知管道pipe

和一个libevent的实例event_base

另外一个重要的最重要的结构是对每个网络连接的封装conn

C代码


typedef struct{
int sfd;
int state;
struct event event;
short which;
char *rbuf;
... //这里省去了很多状态标志和读写buf信息等
}conn;

memcached主要通过设置/转换连接的不同状态，来处理事件（核心函数是drive_machine）

下面看下线程的初始化流程：

在memcached.c的main函数中，首先对主线程的libevent做了初始化

C代码


/* initialize main thread libevent instance */
main_base = event_init();

然后初始化所有的workers线程，并启动，启动过程细节在后面会有描述

C代码


/* start up worker threads if MT mode */
thread_init(settings.num_threads, main_base);

接着主线程调用（这里只分析tcp的情况，目前memcached支持udp方式）

C代码


server_socket(settings.port, 0)

这个方法主要是封装了创建监听socket，绑定地址，设置非阻塞模式并注册监听socket的

libevent 读事件等一系列操作

然后主线程调用

C代码


/* enter the event loop */
event_base_loop(main_base, 0);

这时主线程启动开始通过libevent来接受外部连接请求，整个启动过程完毕

下面看看thread_init是怎样启动所有workers线程的，看一下thread_init里的核心代码

C代码


void thread_init(int nthreads, struct event_base *main_base) {
//。。。省略
threads = malloc(sizeof(LIBEVENT_THREAD) * nthreads);
if (! threads) {
perror("Can't allocate thread descriptors");
exit(1);
}

threads[0].base = main_base;
threads[0].thread_id = pthread_self();

for (i = 0; i < nthreads; i++) {
int fds[2];
if (pipe(fds)) {
perror("Can't create notify pipe");
exit(1);
}

threads[i].notify_receive_fd = fds[0];
threads[i].notify_send_fd = fds[1];

setup_thread(&threads[i]);
}

/* Create threads after we've done all the libevent setup. */
for (i = 1; i < nthreads; i++) {
create_worker(worker_libevent, &threads[i]);
}
}

threads的声明是这样的

static LIBEVENT_THREAD *threads;

thread_init首先malloc线程的空间，然后第一个threads作为主线程，其余都是workers线程

然后为每个线程创建一个pipe，这个pipe被用来作为主线程通知workers线程有新的连接到达

看下setup_thread

C代码


static void setup_thread(LIBEVENT_THREAD *me) {
if (! me->base) {
me->base = event_init();
if (! me->base) {
fprintf(stderr, "Can't allocate event base\n");
exit(1);
}
}

/* Listen for notifications from other threads */
event_set(&me->notify_event, me->notify_receive_fd,
EV_READ | EV_PERSIST, thread_libevent_process, me);
event_base_set(me->base, &me->notify_event);

if (event_add(&me->notify_event, 0) == -1) {
fprintf(stderr, "Can't monitor libevent notify pipe\n");
exit(1);
}

cq_init(&me->new_conn_queue);
}

setup_thread主要是创建所有workers线程的libevent实例（主线程的libevent实例在main函数中已经建立）

由于之前 threads[0].base = main_base;所以第一个线程（主线程）在这里不会执行event_init()

然后就是注册所有workers线程的管道读端的libevent的读事件，等待主线程的通知

最后在该方法里将所有的workers的CQ初始化了

create_worker实际上就是真正启动了线程，pthread_create调用worker_libevent方法，该方法执行

event_base_loop启动该线程的libevent

这里我们需要记住每个workers线程目前只在自己线程的管道的读端有数据时可读时触发，并调用

thread_libevent_process方法

看一下这个函数

C代码


static void thread_libevent_process(int fd, short which, void *arg){
LIBEVENT_THREAD *me = arg;
CQ_ITEM *item;
char buf[1];

if (read(fd, buf, 1) != 1)
if (settings.verbose > 0)
fprintf(stderr, "Can't read from libevent pipe\n");

item = cq_peek(&me->new_conn_queue);

if (NULL != item) {
conn *c = conn_new(item->sfd, item->init_state, item->event_flags,
item->read_buffer_size, item->is_udp, me->base);
。。。//省略
}
}

函数参数的fd是这个线程的管道读端的描述符

首先将管道的1个字节通知信号读出（这是必须的，在水平触发模式下如果不处理该事件，则会被循环通知，知道事件被处理）

cq_peek是从该线程的CQ队列中取队列头的一个CQ_ITEM,这个CQ_ITEM是被主线程丢到这个队列里的，item->sfd是已经建立的连接

的描述符，通过conn_new函数为该描述符注册libevent的读事件，me->base是代表自己的一个线程结构体，就是说对该描述符的事件

处理交给当前这个workers线程处理,conn_new方法的最重要的内容是：

C代码


conn *conn_new(const int sfd, const int init_state, const int event_flags,
const int read_buffer_size, const bool is_udp, struct event_base *base) {
。。。
event_set(&c->event, sfd, event_flags, event_handler, (void *)c);
event_base_set(base, &c->event);
c->ev_flags = event_flags;
if (event_add(&c->event, 0) == -1) {
if (conn_add_to_freelist(c)) {
conn_free(c);
}
perror("event_add");
return NULL;
}
。。。
}

可以看到新的连接被注册了一个事件（实际是EV_READ|EV_PERSIST）,由当前线程处理（因为这里的event_base是该workers线程自己的）

当该连接有可读数据时会回调event_handler函数，实际上event_handler里主要是调用memcached的核心方法drive_machine

最后看看主线程是如何通知workers线程处理新连接的，主线程的libevent注册的是监听socket描述字的可读事件，就是说

当有建立连接请求时，主线程会处理，回调的函数是也是event_handler（因为实际上主线程也是通过conn_new初始化的监听socket 的libevent可读事件）

最后看看memcached网络事件处理的最核心部分- drive_machine

需要铭记于心的是drive_machine是多线程环境执行的，主线程和workers都会执行drive_machine

C代码


static void drive_machine(conn *c) {
bool stop = false;
int sfd, flags = 1;
socklen_t addrlen;
struct sockaddr_storage addr;
int res;

assert(c != NULL);

while (!stop) {

switch(c->state) {
case conn_listening:
addrlen = sizeof(addr);
if ((sfd = accept(c->sfd, (struct sockaddr *)&addr, &addrlen)) == -1) {
//省去n多错误情况处理
break;
}
if ((flags = fcntl(sfd, F_GETFL, 0)) < 0 ||
fcntl(sfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK) < 0) {
perror("setting O_NONBLOCK");
close(sfd);
break;
}
dispatch_conn_new(sfd, conn_read, EV_READ | EV_PERSIST,
DATA_BUFFER_SIZE, false);
break;

case conn_read:
if (try_read_command(c) != 0) {
continue;
}
....//省略
}
}

首先大家不到被while循环误导（大部分做java的同学都会马上联想到是个周而复始的loop）其实while通常满足一个

case后就会break了，这里用while是考虑到垂直触发方式下，必须读到EWOULDBLOCK错误才可以

言归正传，drive_machine主要是通过当前连接的state来判断该进行何种处理，因为通过libevent注册了读写时间后回调的都是

这个核心函数，所以实际上我们在注册libevent相应事件时，会同时把事件状态写到该conn结构体里，libevent进行回调时会把

该conn结构作为参数传递过来，就是该方法的形参

memcached里连接的状态通过一个enum声明

C代码


enum conn_states {
conn_listening, /** the socket which listens for connections */
conn_read, /** reading in a command line */
conn_write, /** writing out a simple response */
conn_nread, /** reading in a fixed number of bytes */
conn_swallow, /** swallowing unnecessary bytes w/o storing */
conn_closing, /** closing this connection */
conn_mwrite, /** writing out many items sequentially */
};

实际对于case conn_listening:这种情况是主线程自己处理的，workers线程永远不会执行此分支

我们看到主线程进行了accept后调用了

dispatch_conn_new(sfd, conn_read, EV_READ | EV_PERSIST,DATA_BUFFER_SIZE, false);

这个函数就是通知workers线程的地方，看看

C代码


void dispatch_conn_new(int sfd, int init_state, int event_flags,
int read_buffer_size, int is_udp) {
CQ_ITEM *item = cqi_new();
int thread = (last_thread + 1) % settings.num_threads;

last_thread = thread;

item->sfd = sfd;
item->init_state = init_state;
item->event_flags = event_flags;
item->read_buffer_size = read_buffer_size;
item->is_udp = is_udp;

cq_push(&threads[thread].new_conn_queue, item);

MEMCACHED_CONN_DISPATCH(sfd, threads[thread].thread_id);
if (write(threads[thread].notify_send_fd, "", 1) != 1) {
perror("Writing to thread notify pipe");
}
}

可以清楚的看到，主线程首先创建了一个新的CQ_ITEM，然后通过round robin策略选择了一个thread

并通过cq_push将这个CQ_ITEM放入了该线程的CQ队列里，那么对应的workers线程是怎么知道的呢

就是通过这个

write(threads[thread].notify_send_fd, "", 1）

向该线程管道写了1字节数据，则该线程的libevent立即回调了thread_libevent_process方法（上面已经描述过）

然后那个线程取出item,注册读时间，当该条连接上有数据时，最终也会回调drive_machine方法，也就是

drive_machine方法的 case conn_read:等全部是workers处理的，主线程只处理conn_listening 。