libco学习一

导论

　　使用 C++ 来编写高性能的网络服务器程序，从来都不是件很容易的事情。在没有应用任何网络框架，从 epoll/kqueue 直接码起的时候尤其如此。即便使用 libevent, libev 这样事件驱动的网络框架去构建你的服务，程序结构依然不会很简单。为何会这样？因为这类框架提供的都是非阻塞式的、异步的编程接口，异步的编程方式，这需要思维方式的转变，但是libevent本身是同步的，其线程是阻塞的，IO是非阻塞的。为什么 golang 近几年能够大规模流行起来呢？因为简单。这方面最突出的一点便是它的网络编程 API，完全同步阻塞式的接口。要并发？go 出一个协程就好了。相信对于很多人来说，最开始接触这种编程方式，是有点困惑的。程序中到处都是同步阻塞式的调用，这程序性能能好吗？答案是，好，而且非常好。那么 golang 是如何做到的呢？秘诀就在它这个协程机制里。在 go 语言的 API 里，你找不到像 epoll/kqueue 之类的 I/O 多路复用（I/O multiplexing）接口，那它是怎么做到轻松支持数万乃至十多万高并发的网络 IO 的呢？在 Linux 或其他类 Unix 系统里，支持 I/O 多路复用事件通知的系统调用（System Call）不外乎 epoll/kqueue，它难道可以离开这些系统接口另起炉灶？这个自然是不可能的。聪明的读者，应该大致想到了这背后是怎么个原理了。

　　语言内置的协程并发模式，同步阻塞式的 IO 接口，使得 golang 网络编程十分容易。那么 C++ 可不可以做到这样呢？本文要介绍的开源协程库 libco，就是这样神奇的一个开源库，让你的高性能网络服务器编程不再困难。 Libco 是微信后台大规模使用的 C++ 协程库，在 2013 年的时候作为腾讯六大开源项目首次开源。据说 2013 年至今稳定运行在微信后台的数万台机器上。从 ArchSummit 北京峰会来自腾讯内部的分享经验来看，它在腾讯内部使用确实是比较广泛的。同 go 语言一样，libco 也是提供了同步风格编程模式，同时还能保证系统的高发能力。

准备知识

协程（Coroutine）是什么？

　　协程这个概念，最近这几年可是相当地流行了。尤其 go 语言问世之后，内置的协程特性，完全屏蔽了操作系统线程的复杂细节；甚至使 go 开发者“只知有协程，不知有线程”了。当然 C++, Java 也不甘落后，如果你有关注过 C++ 语言的最新动态，可能也会注意到近几年不断有人在给 C++ 标准委员会提协程的支持方案；Java 也同样有一些试验性的解决方案在提出来。

　　在 go 语言大行其道的今天，没听说过协程这个词的程序员应该很少了，甚至直接接触过协程编程的（golang, lua, python 等）也不在少数。你可能以为这是个比较新的东西，但其实协程这个概念在计算机领域已经相当地古老了。早在七十年代，Donald Knuth 在他的神作 The Art of Computer Programming 中将 Coroutine 的提出者归于 Conway Melvin。同时，Knuth 还提到，coroutines 不过是一种特殊的 subroutines（Subroutine 即过程调用，在很多高级语言中也叫函数，为了方便起见，下文我们将它称为“函数”）。当调用一个函数时，程序从函数的头部开始执行，当函数退出时，这个函数的声明周期也就结束了。一个函数在它的生命周期中，只可能返回一次。而协程则不同，协程在执行过程中，可以调用别的协程自己则中途退出执行，之后又从调用别的协程的地方恢复执行。这有点像操作系统的线程，执行过程中可能被挂起，让位于别的线程执行，稍后又从挂起的地方恢复执行。在这个过程中，协程与协程之间实际上不是普通“调用者与被调者”的关系，他们之间的关系是对称的（symmetric）。实际上，协程不一定都是这种对称的关系，还存在着一种非对称的协程模式（asymmetric coroutines）。非对称协程其实也比较常见，本文要介绍的 libco 其实就是一种非对称协程，Boost C++ 库也提供了非对称协程。

　　具体来讲，非对称协程（asymmetric coroutines）是跟一个特定的调用者绑定的，协程让出 CPU 时，只能让回给原调用者。那到底是什么东西“不对称”呢？其实，非对称在于程序控制流转移到被调协程时使用的是 call/resume 操作，而当被调协程让出 CPU 时使用的却是 return/yield 操作。此外，协程间的地位也不对等，caller 与 callee 关系是确定的，不可更改的，非对称协程只能返回最初调用它的协程。

　　对称协程（symmetric coroutines）则不一样，启动之后就跟启动之前的协程没有任何关系了。协程的切换操作，一般而言只有一个操作yield，用于将程序控制流转移给另外的协程。对称协程机制一般需要一个调度器的支持，按一定调度算法去选择 yield 的目标协程。 Go 语言提供的协程，其实就是典型的对称协程。不但对称，goroutines 还可以在多个线程上迁移。这种协程跟操作系统中的线程非常相似，甚至可以叫做“用户级线程”了。而 libco 提供的协程，虽然编程接口跟 pthread 有点类似，“类 pthread 的接口设计”，“如线程库一样轻松”，本质上却是一种非对称协程。这一点不要被表象蒙蔽了。事实上，libco 内部还为保存协程的调用链留了一个 stack 结构，而这个 stack 大小只有固定的128，128是数组大小。这个数组位于协程运行的共享环境中

运行环境结构体

 1 struct stCoRoutineEnv_t
 2 {
 3     stCoRoutine_t *pCallStack[ 128 ];    //保存这些函数(协程看成一种特殊的函数)的调用链的栈，调用栈
 4     int iCallStackSize;
 5     /**
 6      * 这个结构也是一个全局性的资源，被同一个线程上所有协程共享。从命名也看得出来，
 7      * stCoEpoll_t 是跟 epoll 的事件循环相关的
 8      */
 9     stCoEpoll_t *pEpoll;
10 
11     //for copy stack log lastco and nextco
12     stCoRoutine_t* pending_co;
13     stCoRoutine_t* occupy_co;
14 };

协程调用链

1 stCoRoutine_t *pCallStack[ 128 ];    //保存这些函数(协程看成一种特殊的函数)的调用链的栈，调用栈

　　使用 libco，如果不断地在一个协程运行过程中启动另一个协程，随着嵌套深度增加就可能会造成这个栈空间溢出。

Libco 使用简介

一个简单的例子

　　在多线程编程教程中，有一个经典的例子：生产者消费者问题。事实上，生产者消费者问题也是最适合协程的应用场景。那么我们就从这个简单的例子入手，来看一看使用 libco 编写的生产者消费者程序（例程代码来自于 libco 源码包）。

程序源码

 1 /*
 2 * Tencent is pleased to support the open source community by making Libco available.
 3 
 4 * Copyright (C) 2014 THL A29 Limited, a Tencent company. All rights reserved.
 5 *
 6 * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License"); 
 7 * you may not use this file except in compliance with the License. 
 8 * You may obtain a copy of the License at
 9 *
10 *    http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
11 *
12 * Unless required by applicable law or agreed to in writing, 
13 * software distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS, 
14 * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied. 
15 * See the License for the specific language governing permissions and 
16 * limitations under the License.
17 */
18 
19 #include <unistd.h>
20 #include <stdio.h>
21 #include <stdlib.h>
22 #include <queue>
23 #include "co_routine.h"
24 using namespace std;
25 struct stTask_t
26 {
27     int id;
28 };
29 struct stEnv_t
30 {
31     stCoCond_t* cond;
32     queue<stTask_t*> task_queue;
33 };
34 void* Producer(void* args)
35 {
36     co_enable_hook_sys();
37     stEnv_t* env=  (stEnv_t*)args;
38     int id = 0;
39     while (true)
40     {
41         stTask_t* task = (stTask_t*)calloc(1, sizeof(stTask_t));
42         task->id = id++;
43         env->task_queue.push(task);
44         printf("%s:%d produce task %d\n", __func__, __LINE__, task->id);
45         co_cond_signal(env->cond);
46         poll(NULL, 0, 1000);//等待1s
47     }
48     return NULL;
49 }
50 void* Consumer(void* args)
51 {
52     co_enable_hook_sys();
53     stEnv_t* env = (stEnv_t*)args;
54     while (true)
55     {
56         if (env->task_queue.empty())
57         {
58             co_cond_timedwait(env->cond, -1);
59             continue;
60         }
61         stTask_t* task = env->task_queue.front();
62         env->task_queue.pop();
63         printf("%s:%d consume task %d\n", __func__, __LINE__, task->id);
64         free(task);
65     }
66     return NULL;
67 }
68 int main()
69 {
70     stEnv_t* env = new stEnv_t;
71     env->cond = co_cond_alloc();
72 
73     stCoRoutine_t* consumer_routine;
74     co_create(&consumer_routine, NULL, Consumer, env);
75     co_resume(consumer_routine);
76 
77     stCoRoutine_t* producer_routine;
78     co_create(&producer_routine, NULL, Producer, env);
79     co_resume(producer_routine);
80 
81     co_eventloop(co_get_epoll_ct(), NULL, NULL);
82     return 0;
83 }

　　在上面的代码中，Producer 与 Consumer 函数分别实现了生产者与消费者的逻辑，函数的原型跟 pthread 线程函数原型也是一样的。不同的是，在函数第一行还调用了一个 co_enable_hook_sys()，是为了开启 hook 系统调用功能，为了将整个程序的运行伪装成伪装成“同步阻塞式”的调用。此外，不是用 sleep() 去等待，而是 poll()。这些原因后文会详细解释，暂且不管，因为poll不仅需要实现等待（也就是定时事件），还要设置定时事件的回调函数以及让出CPU等。接下来我们看怎样创建和启动生产者和消费者协程。

创建和启动生产者消费者协程

 1 int main()
 2 {
 3     stEnv_t* env = new stEnv_t;
 4     env->cond = co_cond_alloc();
 5 
 6     stCoRoutine_t* consumer_routine;
 7     co_create(&consumer_routine, NULL, Consumer, env);
 8     co_resume(consumer_routine);
 9 
10     stCoRoutine_t* producer_routine;
11     co_create(&producer_routine, NULL, Producer, env);
12     co_resume(producer_routine);
13 
14     co_eventloop(co_get_epoll_ct(), NULL, NULL);
15     return 0;
16 }

　　这个例子的输出结果跟多线程实现方案是相似的，Producer 与 Consumer 交替打印生产和消费信息。再来看代码，在 main() 函数中，我们看到代表一个协程的结构叫做 stCoRoutine_t，创建一个协程使用 co_create() 函数。我们注意到，这里的 co_create() 的接口设计跟 pthread 的 pthread_create() 是非常相似的。跟 pthread 不太一样是，创建出一个协程之后，并没有立即启动起来；这里要启动协程，还需调用 co_resume() 函数。最后，pthread 创建线程之后主线程往往会调用pthread_join() 函数阻塞等待子线程退出，而这里的例子没有“co_join()” 或类似的函数，而是调用了一个 co_eventloop() 函数，这些差异的原因我们后文会详细解析。然后再看 Producer 和 Consumer 的实现，细心的读者可能会发现，无论是 Producer 还是 Consumer，它们在操作共享的队列时都没有加锁，没有互斥保护。那么这样做是否安全呢？其实是安全的。在运行这个程序时，我们用 ps 命令会看到这个它实际上只有一个线程。因此在任何时刻处理器上只会有一个协程在运行，所以不存在 race conditions，不需要任何互斥保护。

　　还有一个问题。这个程序既然只有一个线程，那么 Producer 与 Consumer 这两个协程函数是怎样做到交替执行的呢？如果你熟悉 pthread 和操作系统多线程的原理，应该很快能发现程序里 co_cond_signal()、poll() 和 co_cond_timedwait() 这几个关键点。换作是一个 pthread 编写的生产者消费者程序，在只有单核 CPU 的机器上执行，结果是不是一样的？总之，这个例子跟 pthread 实现的生产者消费者程序是非常相似的。通过这个例子，我们也大致对 libco 的协程接口有了初步的了解。

总结：

1、libevent, libev 等事件驱动的网络框架提供的都是非阻塞式的、异步的编程接口，异步的编程方式，这需要思维方式的转变，理解和实现比较复杂。

2、libco 通过hook机制提供了同步阻塞风格编程模式，但是这种同步时伪同步阻塞，底层还是使用的非阻塞，因为如果工作程陷入真正的内核态阻塞，那么 libco 程序就会完全停止运转，后果是很严重的；同时还能保证系统的高并发能力。

3、协程的分类

　　非对称的协程模式

　　　　非对称协程（asymmetric coroutines）是跟一个特定的调用者绑定的，协程让出 CPU 时，只能让回给原调用者。那到底是什么东西“不对称”呢？其实，非对称在于程序控制流转移到被调协程时使用的是 call/resume 操作，而当被调协程让出 CPU 时使用的却是 return/yield 操作。此外，协程间的地位也不对等，caller 与 callee 关系是确定的，不可更改的，非对称协程只能返回最初调用它的协程。libco提供的就是非对称协程。

　　对称的协程模式

　　　　对称协程（symmetric coroutines）则不一样，启动之后就跟启动之前的协程没有任何关系了。协程的切换操作，一般而言只有一个操作，yield，用于将程序控制流转移给另外的协程。对称协程机制一般需要一个调度器的支持，按一定调度算法去选择 yield 的目标协程。go语言提供的是对称协程。

4、携程当中并不需要对共享资源进行加锁来同步，因为这个程序运行的整个过程中，实际上只有一个线程。因此在任何时刻处理器上只会有一个协程在运行，所以不存在 race conditions，不需要任何互斥保护。

posted @ 2021-07-18 21:25 Mr-xxx 阅读(531) 评论(0) 编辑收藏举报

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