原创：Twemproxy源码分析之三：其进程以及时间模型

概述：本来自己写了一篇，但是看到http://www.tuicool.com/articles/NfqeEf这篇更好，于是就算转载过来了吧。下一篇我们会讲到twemproxy的核心，即其转发响应转发请求。

作为一个proxy服务，我们应该深入了解它的进程和事件模型。

进程模型：

通过grep代码，查找fork()和pthread_create()函数的调用，并分析调用者两个函数的代码。我们可以看到twemproxy使用的是单进程单线程来处理请求，另外有一个线程来处理统计数据，但并不参与处理请求功能。

对于单进程单线程的程序，我们就不用去关心线程间通信等内容，可以把重点放在事件驱动模型上来。

 

事件模型：

 

Twemproxy自己封装了一个简单的事件驱动模型，相关代码在event目录下。

我们可以先看一下event/nc_event.h：

 

ifndef _NC_EVENT_H_

#define _NC_EVENT_H_

#include

#define EVENT_SIZE  1024

#define EVENT_READ  0x0000ff

#define EVENT_WRITE 0x00ff00

#define EVENT_ERR   0xff0000

 

typedef int ( * event_cb_t ) ( void * , uint32_t ) ;

typedef void ( * event_stats_cb_t ) ( void * , void * ) ;

文件开头定义了几个宏，然后定义了两个回调函数指针，分别是event的回调函数event_cb_t和状态统计的回调函数event_stats_cb_t。紧接下来是一个条件宏定义：

Twemproxy针对不同的平台定义了不同的event_base结构，因为我们用的是Linux，所以只关心epoll下的代码就行了：

#elif NC_HAVE_EPOLL   struct event_base {      int                  ep ;                struct epoll_event * event ;          int                  nevent ;            event_cb_t         cb ;         } ;

epoll下的event_base定义很简单：一个epoll句柄ep，一个指向epoll_event数组的指针*event，一个event计数nevent，一个callback函数。

那么需要实现哪些函数呢？在event/nc_event.h的最底下有声明：

 

 

struct event_base * event_base_create ( int size , event_cb_t cb ) ;

void event_base_destroy ( struct event_base * evb ) ;

 

int event_add_in ( struct event_base * evb , struct conn * c ) ;

int event_del_in ( struct event_base * evb , struct conn * c ) ;

int event_add_out ( struct event_base * evb , struct conn * c ) ;

int event_del_out ( struct event_base * evb , struct conn * c ) ;

int event_add_conn ( struct event_base * evb , struct conn * c ) ;

int event_del_conn ( struct event_base * evb , struct conn * c ) ;

int event_wait ( struct event_base * evb , int timeout ) ;

void event_loop_stats ( event_stats_cb_t cb , void * arg ) ;

创建：

我们先看看如何创建event_base，下面是event/nc_epoll.c当中的event_base_create()函数定义：

 

 struct event_base *

event_base_create ( int nevent , event_cb_t cb )

{

     struct event_base * evb ;

     int status , ep ;

     struct epoll_event * event ;

 

     ASSERT ( nevent > 0 ) ;

 

     ep = epoll_create ( nevent ) ;

     if ( ep < 0 ) {

         log_error ( "epoll create of size %d failed: %s" , nevent , strerror ( errno ) ) ;

         return NULL ;

     }

 

     event = nc_calloc ( nevent , sizeof ( * event ) ) ;

     if ( event == NULL ) {

         status = close ( ep ) ;

         if ( status < 0 ) {

             log_error ( "close e %d failed, ignored: %s" , ep , strerror ( errno ) ) ;

         }

         return NULL ;

     }

 

     evb = nc_alloc ( sizeof ( * evb ) ) ;

     if ( evb == NULL ) {

         nc_free ( event ) ;

         status = close ( ep ) ;

         if ( status < 0 ) {

             log_error ( "close e %d failed, ignored: %s" , ep , strerror ( errno ) ) ;

         }

         return NULL ;

     }

 

     evb -> ep = ep ;

     evb -> event = event ;

     evb -> nevent = nevent ;

     evb -> cb = cb ;

 

     log_debug ( LOG_INFO , "e %d with nevent %d" , evb -> ep , evb -> nevent ) ;

 

     return evb ;

}

 

创建event_base的过程，就是初始化前面定义的event_base结构体的内容：

1. 调用epoll_create()创建epoll句柄
2. 申请nevent * sizeof(struct epoll_event)大小的空间，存放epoll_event指针数组
3. 申请sizeof(struct event_base)，存放event_base
4. 对event_base中的ep、event、nevent、cb进行赋值。

调用event_base_create的地点在nc_core.c当中：

1 2	ctx -> evb = event_base_create ( EVENT_SIZE , & core_core ) ;

其中EVENT_SIZE刚才nc_event.h的代码里有定义(1024)，而core_core函数则在nc_core.c当中定义。调用event_base_create()之后，我们便得到了一个可以容纳1024个event的event_base。

添加event：

创建完event_base之后，便要向event_base中添加event，需要用到event_add_*函数，我们先来看看event_add_conn()函数：

int event_add_conn ( struct event_base * evb , struct conn * c ) {      int status ;      struct epoll_event event ;      int ep = evb -> ep ;        ASSERT ( ep > 0 ) ;      ASSERT ( c != NULL ) ;      ASSERT ( c -> sd > 0 ) ;        event . events = ( uint32_t ) ( EPOLLIN | EPOLLOUT | EPOLLET ) ;      event . data . ptr = c ;        status = epoll_ctl ( ep , EPOLL_CTL_ADD , c -> sd , & event ) ;      if ( status < 0 ) {          log_error ( "epoll ctl on e %d sd %d failed: %s" , ep , c -> sd ,                    strerror ( errno ) ) ;      } else {          c -> send_active = 1 ;          c -> recv_active = 1 ;      }        return status ; }

conn的结构非常复杂，我们这里不去细看，因为这个函数只用到了conn->sd、conn->send_active和conn->recv_active，其中sd是要注册的文件描述符，而send_active和read_active只是布尔型的标记位，用来标记当前连接是否开启了读/写。

初始化event的时候，加入了EPOLLIN和EPOLLOUT事件，并指定了边缘触发EPOLLET模式，即当文件描述符的可读/可写状态切换的时候返回，成功后设置conn的send_active和read_active为1。

event_add_in()和event_add_out()其实是修改event的，具体分别将其修改为只读或者读写，同时修改send_active或者read_active。

那么什么时候添加event呢，一般是在创建连接之后，我们检索一下event_add_conn的调用位置：

event / nc_epoll .c : event_add_conn ( struct event_base * evb , struct conn * c ) event / nc_kqueue .c : event_add_conn ( struct event_base * evb , struct conn * c ) event / nc_event .h : int event_add_conn ( struct event_base * evb , struct conn * c ) ; event / nc_evport .c : event_add_conn ( struct event_base * evb , struct conn * c ) nc_proxy .c :      status = event_add_conn ( ctx -> evb , p ) ; nc_proxy .c :      status = event_add_conn ( ctx -> evb , c ) ; nc_server .c :      status = event_add_conn ( ctx -> evb , conn ) ;

其中nc_server.c中的调用是在Twemproxy创建了与后端Memcached Server的链接之后，而nc_proxy.c中的调用则分别是在创建listen端口之后，以及accept客户端的链接之后，这符合我们的预期。接下来我们分别来看看这3处。

监听端口：

针对每一个server pool，Twemproxy会创建一个proxy，每个proxy监听一个指定的端口，监听后即需要像event_base添加事件，相关代码在nc_proxy.c的proxy_listen()函数中。

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static rstatus_t proxy_listen ( struct context * ctx , struct conn * p ) {      ……      status = event_add_conn ( ctx -> evb , p ) ;      if ( status < 0 ) {          log_error ( "event add conn p %d on addr '%.*s' failed: %s" ,                    p -> sd , pool -> addrstr . len , pool -> addrstr . data ,                    strerror ( errno ) ) ;          return NC_ERROR ;      }        status = event_del_out ( ctx -> evb , p ) ;      if ( status < 0 ) {          log_error ( "event del out p %d on addr '%.*s' failed: %s" ,                    p -> sd , pool -> addrstr . len , pool -> addrstr . data ,                    strerror ( errno ) ) ;          return NC_ERROR ;      }        return NC_OK ; }

代码已经省略掉了不相关的部分，可以看出，proxy_listen()函数先调用event_add_conn添加一个事件，然后将其修改为只读（等待客户端连接）。

等待连接：

accept的代码在nc_proxy.c的proxy_accept()函数中：

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static rstatus_t proxy_accept ( struct context * ctx , struct conn * p ) {      ……      status = event_add_conn ( ctx -> evb , c ) ;      if ( status < 0 ) {          log_error ( "event add conn from p %d failed: %s" , p -> sd ,                    strerror ( errno ) ) ;          c -> close ( ctx , c ) ;          return status ;      }        log_debug ( LOG_NOTICE , "accepted c %d on p %d from '%s'" , c -> sd , p ->sd ,                nc_unresolve_peer_desc ( c -> sd ) ) ;        return NC_OK ; }

同样省略了不相关的部分，可以看出在accept到客户端的文件描述符后，也是通过event_add_conn添加事件，不过这时没有调用event_del_out()，因为我们是需要向客户端写回数据的。

连接Memcached：

连接后端Memcached的代码在nc_server.c当中的server_connect()函数：

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rstatus_t server_connect ( struct context * ctx , struct server * server , struct conn * conn ) {      ……      status = event_add_conn ( ctx -> evb , conn ) ;      if ( status != NC_OK ) {          log_error ( "event add conn s %d for server '%.*s' failed: %s" ,                    conn -> sd , server -> pname . len , server -> pname . data ,                    strerror ( errno ) ) ;          goto error ;      }      …… }

初始化连接之后，调用event_add_conn()来添加事件，然后连接Memcached，因为连接需要读写，所以没有调用event_del_out()。

从上面的分析看，添加事件的过程基本上是一致的。

事件循环：

完成了event_base的创建和event的添加之后，就进入事件循环，前一节我们讲到时间循环是在core_loop()中做的：

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rstatus_t core_loop ( struct context * ctx ) {      int nsd ;        nsd = event_wait ( ctx -> evb , ctx -> timeout ) ;      if ( nsd < 0 ) {          return nsd ;      }        core_timeout ( ctx ) ;        stats_swap ( ctx -> stats ) ;        return NC_OK ; }

core_loop()调用了event_wait()函数做事件循环，event_wait()的代码如下：

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int event_wait ( struct event_base * evb , int timeout ) {      int ep = evb -> ep ;      struct epoll_event * event = evb -> event ;      int nevent = evb -> nevent ;        ASSERT ( ep > 0 ) ;      ASSERT ( event != NULL ) ;      ASSERT ( nevent > 0 ) ;        for ( ; ; ) {          int i , nsd ;            nsd = epoll_wait ( ep , event , nevent , timeout ) ;          if ( nsd > 0 ) {              for ( i = 0 ; i < nsd ; i ++ ) {                  struct epoll_event * ev = & evb -> event [ i ] ;                  uint32_t events = 0 ;                    log_debug ( LOG_VVERB , "epoll " PRIX32 " triggered on conn %p",                            ev -> events , ev -> data . ptr ) ;                    if ( ev -> events & EPOLLERR ) {                      events |= EVENT_ERR ;                  }                    if ( ev -> events & ( EPOLLIN | EPOLLHUP ) ) {                      events |= EVENT_READ ;                  }                    if ( ev -> events & EPOLLOUT ) {                      events |= EVENT_WRITE ;                  }                    if ( evb -> cb != NULL ) {                      evb -> cb ( ev -> data . ptr , events ) ;                  }              }              return nsd ;          }            if ( nsd == 0 ) {              if ( timeout == - 1 ) {                log_error ( "epoll wait on e %d with %d events and %d timeout "                          "returned no events" , ep , nevent , timeout ) ;                  return - 1 ;              }                return 0 ;          }            if ( errno == EINTR ) {              continue ;          }            log_error ( "epoll wait on e %d with %d events failed: %s" , ep , nevent ,                    strerror ( errno ) ) ;          return - 1 ;      }        NOT_REACHED ( ) ; }

epoll_wait()返回当前I/O就绪的句柄数nsd，同时将epoll_event放入*event指向的数组中，随后就可以根据nsd和*event去依次访问每一个句柄，调用event_base的cb函数进行处理。

事件触发：

前面我们分析event_base_create()的时候了解到，event_base_create()这个函数仅在nc_core.c当中调用，也就是说全局只有一个event_base，而这个event_base上所有的事件触发的回调函数event_base->cb都是指向调用event_base_create()函数时所设置的core_core()。那么问题来了，如何区分不同的连接（后端Memcached连接句柄，客户端连接句柄以及proxy的监听端口句柄）呢？

我们需要具体看一下core_core()这个函数的代码，这个函数非常短：

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rstatus_t core_core ( void * arg , uint32_t events ) {      rstatus_t status ;      struct conn * conn = arg ;      struct context * ctx = conn_to_ctx ( conn ) ;        log_debug ( LOG_VVERB , "event " PRIX32 " on %c %d" , events ,                conn -> client ? 'c' : ( conn -> proxy ? 'p' : 's' ) , conn -> sd ) ;        conn -> events = events ;              if ( events & EVENT_ERR ) {          core_error ( ctx , conn ) ;          return NC_ERROR ;      }              if ( events & EVENT_READ ) {          status = core_recv ( ctx , conn ) ;          if ( status != NC_OK || conn -> done || conn -> err ) {              core_close ( ctx , conn ) ;              return NC_ERROR ;          }      }        if ( events & EVENT_WRITE ) {          status = core_send ( ctx , conn ) ;          if ( status != NC_OK || conn -> done || conn -> err ) {              core_close ( ctx , conn ) ;              return NC_ERROR ;          }      }        return NC_OK ; }

可以看出，针对不同的事件：EVENT_READ、EVENT_WRITE，core_core()函数只是分别去调用了core_recv()和core_send()函数，而EVENT_ERR事件则报错。

那么core_recv()和core_send()函数做了什么呢？

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static rstatus_t core_recv ( struct context * ctx , struct conn * conn ) {      rstatus_t status ;        status = conn -> recv ( ctx , conn ) ;      if ( status != NC_OK ) {          log_debug ( LOG_INFO , "recv on %c %d failed: %s" ,                    conn -> client ? 'c' : ( conn -> proxy ? 'p' : 's' ) , conn -> sd ,                    strerror ( errno ) ) ;      }        return status ; }   static rstatus_t core_send ( struct context * ctx , struct conn * conn ) {      rstatus_t status ;        status = conn -> send ( ctx , conn ) ;      if ( status != NC_OK ) {          log_debug ( LOG_INFO , "send on %c %d failed: %s" ,                    conn -> client ? 'c' : ( conn -> proxy ? 'p' : 's' ) , conn -> sd ,                    strerror ( errno ) ) ;      }        return status ; }

可以看出他们只是分别调用了conn->recv()和conn->send()，我们看一下conn这个结构体相关部分的定义：

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struct conn {      ……      conn_recv_t         recv ;                  conn_recv_next_t   recv_next ;            conn_recv_done_t   recv_done ;            conn_send_t         send ;                  conn_send_next_t   send_next ;            conn_send_done_t   send_done ;            conn_close_t       close ;                conn_active_t       active ;                …… }

省略掉了无关的部分，可以看到conn包含了若干handler的函数指针，这其中就包含recv和send。那么这些字段是在创建conn的时候初始化的。针对不同的conn，为他们初始化不同的handler即可。

那么，首先我们看看listen的过程，调用proxy_listen()函数的位置是在nc_proxy.c的proxy_each_init()当中：

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rstatus_t proxy_each_init ( void * elem , void * data ) {      rstatus_t status ;      struct server_pool * pool = elem ;      struct conn * p ;        p = conn_get_proxy ( pool ) ;      if ( p == NULL ) {          return NC_ENOMEM ;      }        status = proxy_listen ( pool -> ctx , p ) ;      if ( status != NC_OK ) {          p -> close ( pool -> ctx , p ) ;          return status ;      }        log_debug ( LOG_NOTICE , "p %d listening on '%.*s' in %s pool %" PRIu32 " '%.*s'"                " with %" PRIu32 " servers" , p -> sd , pool -> addrstr . len ,                pool -> addrstr . data , pool -> redis ? "redis" : "memcache" ,                pool -> idx , pool -> name . len , pool -> name . data ,                array_n ( & pool -> server ) ) ;        return NC_OK ; }

在调用proxy_listen()之前，调用了conn_get_proxy()来创建并初始化conn：

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struct conn * conn_get_proxy ( void * owner ) {      struct server_pool * pool = owner ;      struct conn * conn ;        conn = _conn_get ( ) ;      if ( conn == NULL ) {          return NULL ;      }        conn -> redis = pool -> redis ;        conn -> proxy = 1 ;        conn -> recv = proxy_recv ;      conn -> recv_next = NULL ;      conn -> recv_done = NULL ;        conn -> send = NULL ;      conn -> send_next = NULL ;      conn -> send_done = NULL ;        conn -> close = proxy_close ;      conn -> active = NULL ;        conn -> ref = proxy_ref ;      conn -> unref = proxy_unref ;        conn -> enqueue_inq = NULL ;      conn -> dequeue_inq = NULL ;      conn -> enqueue_outq = NULL ;      conn -> dequeue_outq = NULL ;        conn -> ref ( conn , owner ) ;        log_debug ( LOG_VVERB , "get conn %p proxy %d" , conn , conn -> proxy ) ;        return conn ; }

通过这个函数定义，我们看到为conn初始化了recv、close、ref和unref这4个handler，其中recv的handler是proxy_recv，那么也就是说，当监听句柄由不可读变为可读时，将会触发proxy_recv这个回调函数：

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rstatus_t proxy_recv ( struct context * ctx , struct conn * conn ) {      rstatus_t status ;        ASSERT ( conn -> proxy && ! conn -> client ) ;      ASSERT ( conn -> recv_active ) ;        conn -> recv_ready = 1 ;      do {          status = proxy_accept ( ctx , conn ) ;          if ( status != NC_OK ) {              return status ;          }      } while ( conn -> recv_ready ) ;        return NC_OK ; }

果不其然，这个函数调用了proxy_accept()：

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static rstatus_t proxy_accept ( struct context * ctx , struct conn * p ) {      rstatus_t status ;      struct conn * c ;      int sd ;        ASSERT ( p -> proxy && ! p -> client ) ;      ASSERT ( p -> sd > 0 ) ;      ASSERT ( p -> recv_active && p -> recv_ready ) ;        for ( ; ; ) {          sd = accept ( p -> sd , NULL , NULL ) ;          if ( sd < 0 ) {              if ( errno == EINTR ) {                  log_debug ( LOG_VERB , "accept on p %d not ready - eintr" , p -> sd ) ;                  continue ;              }                if ( errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK ) {                  log_debug ( LOG_VERB , "accept on p %d not ready - eagain" , p -> sd );                  p -> recv_ready = 0 ;                  return NC_OK ;              }                                log_error ( "accept on p %d failed: %s" , p -> sd , strerror ( errno ) ) ;              return NC_ERROR ;          }            break ;      }        c = conn_get ( p -> owner , true , p -> redis ) ;      if ( c == NULL ) {          log_error ( "get conn for c %d from p %d failed: %s" , sd , p -> sd ,                    strerror ( errno ) ) ;          status = close ( sd ) ;          if ( status < 0 ) {              log_error ( "close c %d failed, ignored: %s" , sd , strerror ( errno ) ) ;          }          return NC_ENOMEM ;      }      c -> sd = sd ;      …… }

代码已经滤掉了无关部分，proxy_accept在accept到客户端的句柄后，通过调用conn_get()创建并初始化conn，在conn_get()中对conn做了如下初始化：

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conn -> recv = msg_recv ;          conn -> recv_next = req_recv_next ;          conn -> recv_done = req_recv_done ;            conn -> send = msg_send ;          conn -> send_next = rsp_send_next ;          conn -> send_done = rsp_send_done ;            conn -> close = client_close ;          conn -> active = client_active ;            conn -> ref = client_ref ;          conn -> unref = client_unref ;            conn -> enqueue_inq = NULL ;          conn -> dequeue_inq = NULL ;          conn -> enqueue_outq = req_client_enqueue_omsgq ;          conn -> dequeue_outq = req_client_dequeue_omsgq ;

而在创建Memcached连接时，是这么初始化的:

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conn -> recv = msg_recv ;          conn -> recv_next = rsp_recv_next ;          conn -> recv_done = rsp_recv_done ;            conn -> send = msg_send ;          conn -> send_next = req_send_next ;          conn -> send_done = req_send_done ;            conn -> close = server_close ;          conn -> active = server_active ;            conn -> ref = server_ref ;          conn -> unref = server_unref ;            conn -> enqueue_inq = req_server_enqueue_imsgq ;          conn -> dequeue_inq = req_server_dequeue_imsgq ;          conn -> enqueue_outq = req_server_enqueue_omsgq ;          conn -> dequeue_outq = req_server_dequeue_omsgq ;

这些handler的作用，这里暂时不细究，只需要理解事件触发回调函数的过程就可以了。

小结：

通过上面的分析，我们知道了Twemproxy使用了单进程模型，并且自己封装了事件模型，这与redis是类似的。这也就意味着，Twemproxy不适合做CPU密集的操作，仅作为proxy来用是OK的，若要对Twemproxy的功能进行扩展，要特别注意这一点，以免影响Twemproxy的吞吐量。