多线程IO模型

服务端编程，首要问题是选取IO模型。即如何处理大量连接，服务更多的客户端？

我们最早有2种解法，各有不足：

1、阻塞IO，每个连接都需要一个线程。

随着连接数增多，线程数剧增，系统开销太大。

2、非阻塞IO，采用“忙轮询”的方式处理多个连接。

空闲连接很多时，太浪费CPU。

现在，业内常用方案是IO复用。

单线程处理大量连接，应用不需要“忙轮询”，内核发现“活跃连接”通知应用。所有连接都空闲时，阻塞应用线程，释放CPU。

目前，最成熟的IO复用方案是epoll，我们今天的主角。

一

epoll的3个API

如上图，epoll的核心是3个API，核心数据结构是：1个红黑树 和 1个链表

1. epoll_create()

功能：创建句柄epollfd。

内核准备数据结构：1个Map(就那个红黑树) 和 1个List(就那个链表)

2. epoll_ctl(epollfd, my_events)

功能：注册我关心的事件(fd, 可读/可写)。

内核把事件写入Map，方便快速查找。

当某个fd发生IO事件时，内核到Map中查找my_events，复制到List。

3. epoll_wait(epollfd, ready_events)

功能：返回就绪事件。

copy一份List返回。

二

2类fd与3件事

服务端支持多连接，标识连接的fd分为2类：

1. listenfd

一般情况，只有一个。用来监听一个特定的端口(如80)。

2. connfd

每个连接都有一个connfd。用来收发数据。

针对这2种fd，服务端主要做3件事，如下图：

1. accept listenfd，创建一个connfd

2. 读/写 connfd

应用/内核间copy数据。

每个connfd对应着2个应用缓冲区：readbuf、writebuf

3. 处理 connfd发来的数据

业务逻辑处理，准备response到 writebuf。

三

单线程下使用epoll

把上文提到的：3个API、2种fd、3件事，揉到一块，用伪码表示。

注：下面的代码，在手机上建议横屏阅读。

四

多线程下的IO模型

我们听过很多多线程IO模型：Reactor、Proactor、领导者/追随者balabala...

太多了，傻傻分不清楚。

从上文，我们知道，服务端IO编程主要处理3件事，我们给这3件事编号：1、2 和 3。

不管单线程，还是多线程，核心都是做这3件事。

各种多线程IO模型的区别就是：这3件事交给哪些线程做了。

按照这个规则，我们把常见的多线程IO模型，整理到一棵“决策树”上。

希望能帮助大家记忆。

1. redis模式

处理：单线程独自干3件事。

类比：饭馆，夫妻店。

老板自己当服务员，把所有的活都干了(接待、点菜、上菜等)。

2. nginx模式

处理：开启8个工作进程，各自独立。

新连接来了，大家一起抢，谁抢到算谁的(这是第1件事，每个进程都调用accept，但只有一个能成功，得到connfd)。

抢到之后(得到connfd)，各进程独自干剩下的2件事(读写connfd、业务处理)。

类比：小饭馆。

雇了8个服务员。

新客人一进门，8个服务员一拥而上，谁抢到算谁的。

抢到之后，独自服务该客人。

惊群效应：新客人一进门，8个服务员都被唤醒，注定只有1个能抢到，浪费7个服务员的注意力。

3. 线程分角色

处理：3件事分配给不同的线程。

线程间需要通信，分配任务。

类比：大饭馆。

门口专门站一个“大服务员”(主线程)，负责排号。

客人到号了，“大服务员”指派一个专门的“小服务员”，接待客人。

大厅里有一群“小服务员”(工作线程)，负责接待客人到餐桌。

“小服务员”还可以再拆分工作(拆出业务线程)，领路、点菜、上菜、收钱可以交给不同的“小服务员”做。

4. 领导者/追随者

处理：线程的角色在3种状态间变换，每种角色职责不同。

事件集和数据是公用的，线程间不需要通信。

任一瞬间，最多只有一个Leader线程，负责响应新事件。

Leader：获取事件后，变成Processing，处理、读写数据。

同时指定一个Follower接替自己。

Processing：完成业务处理后，如果没有Leader，自己成为Leader；

如果有Leader，自己成为Follower。

Follower：等待被指派为Leader。

类比：机场出租车。

出租车排了个长队。

队首的出租车，是Leader：响应新乘客。

后面排队的出租车，是Follower：等待成为Leader。

乘客上车后，Leader出租车转为Processing：服务乘客。

 

转自：http://www.360doc.com/content/17/0807/14/33093582_677312246.shtml