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evpp设计细节系列(1):利用 enable_shared_from_this 实现一个自管理的定时器

2017-04-19 20:38 603 查看

0. 前言

https://github.com/Qihoo360/evpp是一个高性能的Reactor模式的现代化的C++11版本的高性能网络库。该项目中有一个
InvokeTimer
对象,接口头文件详细代码请参见https://github.com/Qihoo360/evpp/blob/master/evpp/invoke_timer.h。它是一个能自我管理的定时器类,可以将一个仿函数绑定到该定时器上,然后让该定时器自己管理并在预期的一段时间后执行该仿函数。

现在我们复盘一下这个功能的实现细节和演化过程。

1. 基础代码

定时器原型声明可能是下面的样子:

class InvokeTimer {
public:
InvokeTimer(struct event_base* evloop, double timeout_ms, const std::function<void()>& f);
~InvokeTimer();
void Start();
};


这个是最基本的接口,可以设置一个仿函数,并设置一个过期时间,然后绑定到一个
event_base
对象上,然后就可以期待过了一个预期的时间后,我们设置的仿函数被调用了。

为了便于说明后续的多个版本的实现,我们先将基础的不变的代码说明一下。

基础代码,我们采用evpp项目中的
TimerEventWatcher
,详细实现在这里event_watcher.hevent_watcher.cc。它是一个时间定时器观察者对象,可以观察一个时间事件。

头文件
event_watcher.h
定义如下:

#pragma once

#include <functional>

struct event;
struct event_base;

namespace recipes {

class EventWatcher {
public:
typedef std::function<void()> Handler;
virtual ~EventWatcher();
bool Init();
void Cancel();

void SetCancelCallback(const Handler& cb);
void ClearHandler() { handler_ = Handler(); }
protected:
EventWatcher(struct event_base* evbase, const Handler& handler);
bool Watch(double timeout_ms);
void Close();
void FreeEvent();

virtual bool DoInit() = 0;
virtual void DoClose() {}

protected:
struct event* event_;
struct event_base* evbase_;
bool attached_;
Handler handler_;
Handler cancel_callback_;
};

class TimerEventWatcher : public EventWatcher {
public:
TimerEventWatcher(struct event_base* evbase, const Handler& handler, double timeout_ms);

bool AsyncWait();

private:
virtual bool DoInit();
static void HandlerFn(int fd, short which, void* v);
private:
double timeout_ms_;
};

}


实现文件
event_watcher.cc
如下:

#include <string.h>
#include <assert.h>

#include <event2/event.h>
#include <event2/event_struct.h>
#include <event2/event_compat.h>

#include <iostream>

#include "event_watcher.h"

namespace recipes {

EventWatcher::EventWatcher(struct event_base* evbase, const Handler& handler)
: evbase_(evbase), attached_(false), handler_(handler) {
event_ = new event;
memset(event_, 0, sizeof(struct event));
}

EventWatcher::~EventWatcher() {
FreeEvent();
Close();
}

bool EventWatcher::Init() {
if (!DoInit()) {
goto failed;
}

::event_base_set(evbase_, event_);
return true;

failed:
Close();
return false;
}

void EventWatcher::Close() {
DoClose();
}

bool EventWatcher::Watch(double timeout_ms) {
struct timeval tv;
struct timeval* timeoutval = nullptr;
if (timeout_ms > 0) {
tv.tv_sec = long(timeout_ms / 1000);
tv.tv_usec = long(timeout_ms * 1000.0) % 1000;
timeoutval = &tv;
}

if (attached_) {
// When InvokerTimer::periodic_ == true, EventWatcher::Watch will be called many times
// so we need to remove it from event_base before we add it into event_base
if (event_del(event_) != 0) {
std::cerr << "event_del failed. fd=" << this->event_->ev_fd << " event_=" << event_ << std::endl;
// TODO how to deal with it when failed?
}
attached_ = false;
}

assert(!attached_);
if (event_add(event_, timeoutval) != 0) {
std::cerr << "event_add failed. fd=" << this->event_->ev_fd << " event_=" << event_ << std::endl;
return false;
}
attached_ = true;
return true;
}

void EventWatcher::FreeEvent() {
if (event_) {
if (attached_) {
event_del(event_);
attached_ = false;
}

delete (event_);
event_ = nullptr;
}
}

void EventWatcher::Cancel() {
assert(event_);
FreeEvent();

if (cancel_callback_) {
cancel_callback_();
cancel_callback_ = Handler();
}
}

void EventWatcher::SetCancelCallback(const Handler& cb) {
cancel_callback_ = cb;
}

TimerEventWatcher::TimerEventWatcher(struct event_base* evbase,
const Handler& handler,
double timeout_ms)
: EventWatcher(evbase, handler)
, timeout_ms_(timeout_ms) {}

bool TimerEventWatcher::DoInit() {
::event_set(event_, -1, 0, TimerEventWatcher::HandlerFn, this);
return true;
}

void TimerEventWatcher::HandlerFn(int /*fd*/, short /*which*/, void* v) {
TimerEventWatcher* h = (TimerEventWatcher*)v;
h->handler_();
}

bool TimerEventWatcher::AsyncWait() {
return Watch(timeout_ms_);
}

}


2. 一个最基本的实现:basic-01

我们先尝试实现一个能满足最基本需求的定时器。

// 头文件
#include <memory>
#include <functional>

struct event_base;

namespace recipes {

class TimerEventWatcher;
class InvokeTimer;

class InvokeTimer {
public:
typedef std::function<void()> Functor;

InvokeTimer(struct event_base* evloop, double timeout_ms, const Functor& f);
~InvokeTimer();

void Start();

private:
void OnTimerTriggered();

private:
struct event_base* loop_;
double timeout_ms_;
Functor functor_;
std::shared_ptr<TimerEventWatcher> timer_;
};

}

// 实现文件
#include "invoke_timer.h"
#include "event_watcher.h"

#include <thread>
#include <iostream>

namespace recipes {

InvokeTimer::InvokeTimer(struct event_base* evloop, double timeout_ms, const Functor& f)
: loop_(evloop), timeout_ms_(timeout_ms), functor_(f) {
std::cout << "InvokeTimer::InvokeTimer tid=" << std::this_thread::get_id() << " this=" << this << std::endl;
}

InvokeTimer::~InvokeTimer() {
std::cout << "InvokeTimer::~InvokeTimer tid=" << std::this_thread::get_id() << " this=" << this << std::endl;
}

void InvokeTimer::Start() {
std::cout << "InvokeTimer::Start tid=" << std::this_thread::get_id() << " this=" << this << std::endl;
timer_.reset(new TimerEventWatcher(loop_, std::bind(&InvokeTimer::OnTimerTriggered, this), timeout_ms_));
timer_->Init();
timer_->AsyncWait();
std::cout << "InvokeTimer::Start(AsyncWait) tid=" << std::this_thread::get_id() << " timer=" << timer_.get() << " this=" << this << " timeout(ms)=" << timeout_ms_ << std::endl;
}

void InvokeTimer::OnTimerTriggered() {
std::cout << "InvokeTimer::OnTimerTriggered tid=" << std::this_thread::get_id() << " this=" << this << std::endl;
functor_();
functor_ = Functor();
}

}


测试main.cc

#include "invoke_timer.h"
#include "event_watcher.h"
#include "winmain-inl.h"

#include <event2/event.h>

void Print() {
std::cout << __FUNCTION__ << " hello world." << std::endl;
}

int main() {
struct event_base* base = event_base_new();
auto timer = new recipes::InvokeTimer(base, 1000.0, &Print);
timer->Start();
event_base_dispatch(base);
event_base_free(base);
delete timer;
return 0;
}


我们先创建一个
event_base
对象,随后创建一个
InvokeTimer
对象,随后让timer启动起来,即将timer注册到
event_base
对象中,最后运行
event_base_dispatch(base)


下面编译运行,结果是符合预期的:当timer的时间到期后,能顺利触发回调。

$ ls -l
total 80
-rw-rw-r-- 1 weizili weizili  2729 Apr 15 20:39 event_watcher.cc
-rw-rw-r-- 1 weizili weizili   996 Apr 15 20:39 event_watcher.h
-rw-rw-r-- 1 weizili weizili  1204 Apr 14 10:55 invoke_timer.cc
-rw-rw-r-- 1 weizili weizili   805 Apr 14 10:55 invoke_timer.h
-rw-rw-r-- 1 weizili weizili   374 Apr 14 10:55 main.cc
$ g++ -std=c++11 event_watcher.cc invoke_timer.cc main.cc -levent
$ ./a.out
InvokeTimer::InvokeTimer tid=139965845526336 this=0x7ffd2790f780
InvokeTimer::Start tid=139965845526336 this=0x7ffd2790f780
InvokeTimer::Start(AsyncWait) tid=139965845526336 timer=0x14504c0 this=0x7ffd2790f780 timeout(ms)=1000
InvokeTimer::OnTimerTriggered tid=139965845526336 this=0x7ffd2790f780
Print hello world.
InvokeTimer::~InvokeTimer tid=139965845526336 this=0x7ffd2790f780


这个实现方式,
InvokeTimer
对象生命周期的管理是一个问题,它需要调用者自己管理。

3. 能够实现最基本自我管理:basic-02

为了实现
InvokeTimer
对象生命周期的自我管理,其实就是调用者不需要关心
InvokeTimer
对象的生命周期问题。可以设想一下,假如
InvokeTimer
对象创建后,当定时时间一到,我们就调用其绑定的毁掉回函,然后
InvokeTimer
对象自我销毁,是不是就可以实现自我管理了呢?嗯,这个可行。请看下面代码。

// 头文件

#include <memory>
#include <functional>

struct event_base;

namespace recipes {

class TimerEventWatcher;
class InvokeTimer;

class InvokeTimer {
public:
typedef std::function<void()> Functor;

static InvokeTimer* Create(struct event_base* evloop,
double timeout_ms,
const Functor& f);

~InvokeTimer();

void Start();

private:
InvokeTimer(struct event_base* evloop, double timeout_ms, const Functor& f);
void OnTimerTriggered();

private:
struct event_base* loop_;
double timeout_ms_;
Functor functor_;
std::shared_ptr<TimerEventWatcher> timer_;
};

}

// 实现文件

#include "invoke_timer.h"
#include "event_watcher.h"

#include <thread>
#include <iostream>

namespace recipes {

InvokeTimer::InvokeTimer(struct event_base* evloop, double timeout_ms, const Functor& f)
: loop_(evloop), timeout_ms_(timeout_ms), functor_(f) {
std::cout << "InvokeTimer::InvokeTimer tid=" << std::this_thread::get_id() << " this=" << this << std::endl;
}

InvokeTimer* InvokeTimer::Create(struct event_base* evloop, double timeout_ms, const Functor& f) {
return new InvokeTimer(evloop, timeout_ms, f);
}

InvokeTimer::~InvokeTimer() {
std::cout << "InvokeTimer::~InvokeTimer tid=" << std::this_thread::get_id() << " this=" << this << std::endl;
}

void InvokeTimer::Start() {
std::cout << "InvokeTimer::Start tid=" << std::this_thread::get_id() << " this=" << this << std::endl;
timer_.reset(new TimerEventWatcher(loop_, std::bind(&InvokeTimer::OnTimerTriggered, this), timeout_ms_));
timer_->Init();
timer_->AsyncWait();
std::cout << "InvokeTimer::Start(AsyncWait) tid=" << std::this_thread::get_id() << " timer=" << timer_.get() << " this=" << this << " timeout(ms)=" << timeout_ms_ << std::endl;
}

void InvokeTimer::OnTimerTriggered() {
std::cout << "InvokeTimer::OnTimerTriggered tid=" << std::this_thread::get_id() << " this=" << this << std::endl;
functor_();
functor_ = Functor();
delete this;
}

}


请注意,上述实现中,为了实现自我销毁,我们必须调用 delete ,这就注定了
InvokeTimer
对象必须在堆上创建,因此我们隐藏了它的构造函数,然后用一个静态的 Create 成员来创建
InvokeTimer
对象的实例。

相应的,
main.cc
也做了一点点修改代码如下:

#include "invoke_timer.h"
#include "event_watcher.h"
#include "winmain-inl.h"

#include <event2/event.h>

void Print() {
std::cout << __FUNCTION__ << " hello world." << std::endl;
}

int main() {
struct event_base* base = event_base_new();
auto timer = recipes::InvokeTimer::Create(base, 1000.0, &Print);
timer->Start(); // 启动完成后,就不用关注该对象了
event_base_dispatch(base);
event_base_free(base);
return 0;
}


这个实现,就不需要上层调用者手工
delete
这个
InvokeTimer
对象的实例,从而达到
InvokeTimer
对象自我管理的目的。

下面编译运行,结果是符合预期的:当timer时间到期后,能顺利触发回调,并且
InvokeTimer
对象也自动析构了。

$ ls -l
total 80
-rw-rw-r-- 1 weizili weizili  2729 Apr 15 20:39 event_watcher.cc
-rw-rw-r-- 1 weizili weizili   996 Apr 15 20:39 event_watcher.h
-rw-rw-r-- 1 weizili weizili  1204 Apr 14 10:55 invoke_timer.cc
-rw-rw-r-- 1 weizili weizili   805 Apr 14 10:55 invoke_timer.h
-rw-rw-r-- 1 weizili weizili   374 Apr 14 10:55 main.cc
$ g++ -std=c++11 event_watcher.cc invoke_timer.cc main.cc -levent
$ ./a.out
InvokeTimer::InvokeTimer tid=139965845526336 this=0x7ffd2790f780
InvokeTimer::Start tid=139965845526336 this=0x7ffd2790f780
InvokeTimer::Start(AsyncWait) tid=139965845526336 timer=0x14504c0 this=0x7ffd2790f780 timeout(ms)=1000
InvokeTimer::OnTimerTriggered tid=139965845526336 this=0x7ffd2790f780
Print hello world.
InvokeTimer::~InvokeTimer tid=139965845526336 this=0x7ffd2790f780


4. 如果要取消一个定时器怎么办:cancel-03

上面第2种实现方式,实现了定时器的自我管理,调用者不需要关心定时器的生命周期的管理问题。接下来,新的需求又来了,上层调用者说,在对外发起一个请求时,可以设置一个定时器来处理超时问题,但如果请求及时的回来了,我们得及时取消该定时器啊,这又如何处理呢?

这就相当于要把上层调用者还得一直保留
InvokeTimer
对象的实例,以便在需要的时候,提前取消掉该定时器。上层调用者保留这个指针,就会带来一定的风险,例如误用,当
InvokeTimer
对象已经自动析构了,该该指针还继续存在于上层调用者那里。

于是乎,智能指针
shared_ptr
出场了,我们希望上层调用者看到的对象是以
shared_ptr<InvokeTimer>
形式存在的,无论上层调用者是否保留这个
shared_ptr<InvokeTimer>
对象,
InvokeTimer
对象都能自我管理,也就是说,当上层调用者不保留
shared_ptr<InvokeTimer>
对象时,
InvokeTimer
对象要能自我管理。

这里就必须让
InvokeTimer
对象本身也要保存一份
shared_ptr<InvokeTimer>
对象。为了实现这一技术,我们需要引入
enable_shared_from_this
。关于
enable_shared_from_this
的介绍,网络上已经有很多资料了,这里不多累述。我们直接上最终的实现代码:

// 头文件

#include <memory>
#include <functional>

struct event_base;

namespace recipes {

class TimerEventWatcher;
class InvokeTimer;

typedef std::shared_ptr<InvokeTimer> InvokeTimerPtr;

class InvokeTimer : public std::enable_shared_from_this<InvokeTimer> {
public:
typedef std::function<void()> Functor;

static InvokeTimerPtr Create(struct event_base* evloop,
double timeout_ms,
const Functor& f);

~InvokeTimer();

void Start();

void Cancel();

void set_cancel_callback(const Functor& fn) {
cancel_callback_ = fn;
}
private:
InvokeTimer(struct event_base* evloop, double timeout_ms, const Functor& f);
void OnTimerTriggered();
void OnCanceled();

private:
struct event_base* loop_;
double timeout_ms_;
Functor functor_;
Functor cancel_callback_;
std::shared_ptr<TimerEventWatcher> timer_;
std::shared_ptr<InvokeTimer> self_; // Hold myself
};

}

// 实现文件

#include "invoke_timer.h"
#include "event_watcher.h"

#include <thread>
#include <iostream>

namespace recipes {

InvokeTimer::InvokeTimer(struct event_base* evloop, double timeout_ms, const Functor& f)
: loop_(evloop), timeout_ms_(timeout_ms), functor_(f) {
std::cout << "InvokeTimer::InvokeTimer tid=" << std::this_thread::get_id() << " this=" << this << std::endl;
}

InvokeTimerPtr InvokeTimer::Create(struct event_base* evloop, double timeout_ms, const Functor& f) {
InvokeTimerPtr it(new InvokeTimer(evloop, timeout_ms, f));
it->self_ = it;
return it;
}

InvokeTimer::~InvokeTimer() {
std::cout << "InvokeTimer::~InvokeTimer tid=" << std::this_thread::get_id() << " this=" << this << std::endl;
}

void InvokeTimer::Start() {
std::cout << "InvokeTimer::Start tid=" << std::this_thread::get_id() << " this=" << this << " refcount=" << self_.use_count() << std::endl;
timer_.reset(new TimerEventWatcher(loop_, std::bind(&InvokeTimer::OnTimerTriggered, shared_from_this()), timeout_ms_));
timer_->SetCancelCallback(std::bind(&InvokeTimer::OnCanceled, shared_from_this()));
timer_->Init();
timer_->AsyncWait();
std::cout << "InvokeTimer::Start(AsyncWait) tid=" << std::this_thread::get_id() << " timer=" << timer_.get() << " this=" << this << " refcount=" << self_.use_count() << " periodic=" << periodic_ << " timeout(ms)=" << timeout_ms_ << std::endl;
}

void InvokeTimer::Cancel() {
if (timer_) {
timer_->Cancel();
}
}

void InvokeTimer::OnTimerTriggered() {
std::cout << "InvokeTimer::OnTimerTriggered tid=" << std::this_thread::get_id() << " this=" << this << " use_count=" << self_.use_count() << std::endl;
functor_();
functor_ = Functor();
cancel_callback_ = Functor();
timer_.reset();
self_.reset();
}

void InvokeTimer::OnCanceled() {
std::cout << "InvokeTimer::OnCanceled tid=" << std::this_thread::get_id() << " this=" << this << " use_count=" << self_.use_count() << std::endl;
if (cancel_callback_) {
cancel_callback_();
cancel_callback_ = Functor();
}
functor_ = Functor();
timer_.reset();
self_.reset();
}

}


相应的,
main.cc
也做了一点点修改代码如下:

#include "invoke_timer.h"
#include "event_watcher.h"
#include "winmain-inl.h"

#include <event2/event.h>

void Print() {
std::cout << __FUNCTION__ << " hello world." << std::endl;
}

int main() {
struct event_base* base = event_base_new();
auto timer = recipes::InvokeTimer::Create(base, 1000.0, &Print);
timer->Start(); // 启动完成后,就不用关注该对象了
event_base_dispatch(base);
event_base_free(base);
return 0;
}


这个实现,就不需要上层调用者手工
delete
这个
InvokeTimer
对象的实例,从而达到
InvokeTimer
对象自我管理的目的。

下面编译运行,结果是符合预期的:当timer时间到期后,能顺利触发回调,并且
InvokeTimer
对象也自动析构了。

5. 实现一个周期性的定时器:periodic-04

上述几个实现中,都是一次性的定时器任务。但是如果我们想实现一个周期性的定时器该如何实现呢?例如,我们有一个任务,需要每分钟做一次。

其实,基于上述第三个版本的实现,可以很容易的实现周期性的定时器功能。只需要在回调函数中,继续调用
timer->AsyncWait()
即可。详细的修改情况如下。

头文件 invoke_timer.h 改变:

@@ -18,7 +18,8 @@ public:

static InvokeTimerPtr Create(struct event_base* evloop,
double timeout_ms,
-                                 const Functor& f);
+                                 const Functor& f,
+                                 bool periodic);

~InvokeTimer();

@@ -30,7 +31,7 @@ public:
cancel_callback_ = fn;
}
private:
-    InvokeTimer(struct event_base* evloop, double timeout_ms, const Functor& f);
+    InvokeTimer(struct event_base* evloop, double timeout_ms, const Functor& f, bool periodic);
void OnTimerTriggered();
void OnCanceled();

@@ -40,6 +41,7 @@ private:
Functor functor_;
Functor cancel_callback_;
std::shared_ptr<TimerEventWatcher> timer_;
+    bool periodic_;
std::shared_ptr<InvokeTimer> self_; // Hold myself
};


实现文件 invoke_timer.cc 改变:

namespace recipes {

-InvokeTimer::InvokeTimer(struct event_base* evloop, double timeout_ms, const Functor& f)
-    : loop_(evloop), timeout_ms_(timeout_ms), functor_(f) {
+InvokeTimer::InvokeTimer(struct event_base* evloop, double timeout_ms, const Functor& f, bool periodic)
+    : loop_(evloop), timeout_ms_(timeout_ms), functor_(f), periodic_(periodic) {
std::cout << "InvokeTimer::InvokeTimer tid=" << std::this_thread::get_id() << " this=" << this << std::endl;
}

-InvokeTimerPtr InvokeTimer::Create(struct event_base* evloop, double timeout_ms, const Functor& f) {
-    InvokeTimerPtr it(new InvokeTimer(evloop, timeout_ms, f));
+InvokeTimerPtr InvokeTimer::Create(struct event_base* evloop, double timeout_ms, const Functor& f, bool periodic) {
+    InvokeTimerPtr it(new InvokeTimer(evloop, timeout_ms, f, periodic));
it->self_ = it;
return it;
}
@@ -27,7 +27,7 @@ void InvokeTimer::Start() {
timer_->SetCancelCallback(std::bind(&InvokeTimer::OnCanceled, shared_from_this()));
timer_->Init();
timer_->AsyncWait();
}

void InvokeTimer::Cancel() {
@@ -39,14 +39,20 @@ void InvokeTimer::Cancel() {
void InvokeTimer::OnTimerTriggered() {
std::cout << "InvokeTimer::OnTimerTriggered tid=" << std::this_thread::get_id() << " this=" << this << " use_count=" << self_.use_count() << std::endl;
functor_();
-    functor_ = Functor();
-    cancel_callback_ = Functor();
-    timer_.reset();
-    self_.reset();
+
+    if (periodic_) {
+        timer_->AsyncWait();
+    } else {
+        functor_ = Functor();
+        cancel_callback_ = Functor();
+        timer_.reset();
+        self_.reset();
+    }
}

void InvokeTimer::OnCanceled() {
std::cout << "InvokeTimer::OnCanceled tid=" << std::this_thread::get_id() << " this=" << this << " use_count=" << self_.use_count() << std::endl;
+    periodic_ = false;
if (cancel_callback_) {
cancel_callback_();
cancel_callback_ = Functor();


main.cc测试示例代码也有所修改,具体如下:

#include "invoke_timer.h"
#include "event_watcher.h"
#include "winmain-inl.h"

#include <event2/event.h>

void Print() {
std::cout << __FUNCTION__ << " hello world." << std::endl;
}

int main() {
struct event_base* base = event_base_new();
auto timer = recipes::InvokeTimer::Create(base, 1000.0, &Print, true);
timer->Start();
timer.reset();
event_base_dispatch(base);
event_base_free(base);
return 0;
}


该版本是最终的实现版本。相关代码都在[]https://github.com/Qihoo360/evpp/tree/master/examples/recipes/self_control_timer]这里,为了便于演示,其不依赖evpp

6. 最后

evpp项目官网地址为:[]https://github.com/Qihoo360/evpp]

本文中的详细代码实现请参考 []https://github.com/Qihoo360/evpp/tree/master/examples/recipes/self_control_timer]

7. evpp系列文章列表

evpp性能测试(3): 对无锁队列boost::lockfree::queue和moodycamel::ConcurrentQueue做一个性能对比测试

evpp性能测试(2): 与Boost.Asio进行吞吐量对比测试

evpp性能测试(1): 与muduo进行吞吐量测试

发布一个高性能的Reactor模式的C++网络库:evpp
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