Swoole 源码分析之 Coroutine 协程模块
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大家好，我是码农先森。
引言
协程又称轻量级线程，但与线程不同的是；协程是用户级线程，不需要操作系统参与。由用户显式控制，可以在需要的时候挂起、或恢复执行。
通过协程程序可以在执行的过程中保存当前的状态，并在恢复后从该状态处继续执行，整体上来说创建、销毁、切换的成本低。
但在 Swoole 中的协程是无法利用多核 CPU 的，如果想利用多核 CPU 则需要依赖 Swoole 的多进程模型。
协程的出现为 Swoole 程序提升并发效率、及系统的处理能力，注入了强劲的动力；可以说是 Swoole 作为高性能通信框架的的核心模块。
源码拆解
这次我们以下面这段代码，来作为本次拆解源码的切入点。
// 协程容器
Swoole\Coroutine\run(function () {
// Socket 协程客户端
$socket = new Swoole\Coroutine\Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// 建立连接，在建立连接的过程中会发生协程切换
$retval = $socket->connect('127.0.0.1', 9601);
if ($retval) {
// 发送数据，在发送数据的过程中会发生协程切换
$n = $socket->send('hello');
var_dump($n);
// 解释数据，在接收数据的过程中会发生协程切换
$data = $socket->recv();
var_dump($data);
// 关闭连接
$socket->close();
}
});
这段代码主要是使用 Socket 的协程客户端与本地的 9601 端口建立连接，并且发送、接收数据。在分析源码之前，我对这次的源码做了一个图解梳理，把整个调用链路上的函数串联了起来。我们可以先对整体有个大致的了解，便于后面分析源代码。
Socket 协程客户端
Socket 协程客户端是专门用于 Swoole 在协程环境中使用的，可以实现在 IO 调用时切换协程，让出 CPU 的使用权。例如：在连接建立、发送数据、接收数据 等阶段会进行协程的切换。
这个函数主要是发起 Socket 连接的建立，并且在 wait_event 这个函数内部实现了协程的切换。
// swoole-src/src/coroutine/socket.cc:595
bool Socket::connect(const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen) {
if (sw_unlikely(!is_available(SW_EVENT_RDWR))) {
return false;
}
int retval;
do {
// 发起连接建立
retval = ::connect(sock_fd, addr, addrlen);
} while (retval < 0 && errno == EINTR);
if (retval < 0) {
if (errno != EINPROGRESS) {
set_err(errno);
return false;
} else {
TimerController timer(&write_timer, connect_timeout, this, timer_callback);
// wait_event 这个函数内部实现了协程的切换
if (!timer.start() || !wait_event(SW_EVENT_WRITE)) {
if (is_closed()) {
set_err(ECONNABORTED);
}
return false;
} else {
if (socket->get_option(SOL_SOCKET, SO_ERROR, &errCode) < 0 || errCode != 0) {
set_err(errCode);
return false;
}
}
}
}
connected = true;
set_err(0);
return true;
}
再看看 wait_event 函数的内部实现，先是获取到当前的协程，然后根据事件的类型调用函数 add_event 将事件添加到事件管理的结构体中，最后将当前的协程切换出去，让出其 CPU 的控制权。
// swoole-src/src/coroutine/socket.cc:147
bool Socket::wait_event(const EventType event, const void **__buf, size_t __n) {
EventType added_event = event;
// 获取到当前的协程
Coroutine *co = Coroutine::get_current_safe();
if (!co) {
return false;
}
if (sw_unlikely(socket->close_wait)) {
set_err(SW_ERROR_CO_SOCKET_CLOSE_WAIT);
return false;
}
// clear the last errCode
set_err(0);
#ifdef SW_USE_OPENSSL
// 根据事件的类型调用函数 add_event 将事件添加到事件管理的结构体中
if (sw_unlikely(socket->ssl && ((event == SW_EVENT_READ && socket->ssl_want_write) ||
(event == SW_EVENT_WRITE && socket->ssl_want_read)))) {
if (sw_likely(socket->ssl_want_write && add_event(SW_EVENT_WRITE))) {
want_event = SW_EVENT_WRITE;
} else if (socket->ssl_want_read && add_event(SW_EVENT_READ)) {
want_event = SW_EVENT_READ;
} else {
return false;
}
added_event = want_event;
} else
#endif
if (sw_unlikely(!add_event(event))) {
return false;
}
swoole_trace_log(SW_TRACE_SOCKET,
"socket#%d blongs to cid#%ld is waiting for %s event",
sock_fd,
co->get_cid(),
get_wait_event_name(this, event));
Coroutine::CancelFunc cancel_fn = [this, event](Coroutine *co) { return cancel(event); };
// 将当前的协程切换出去，让出其 CPU 的控制权
if (sw_likely(event == SW_EVENT_READ)) {
read_co = co;
read_co->yield(&cancel_fn);
read_co = nullptr;
} else if (event == SW_EVENT_WRITE) {
if (sw_unlikely(!zero_copy && __n > 0 && *__buf != get_write_buffer()->str)) {
write_buffer->clear();
if (write_buffer->append((const char *) *__buf, __n) != SW_OK) {
set_err(ENOMEM);
goto _failed;
}
*__buf = write_buffer->str;
}
write_co = co;
write_co->yield(&cancel_fn);
write_co = nullptr;
} else {
assert(0);
return false;
}
_failed:
#ifdef SW_USE_OPENSSL
// maybe read_co and write_co are all waiting for the same event when we use SSL
if (sw_likely(want_event == SW_EVENT_NULL || !has_bound()))
#endif
{
Reactor *reactor = SwooleTG.reactor;
if (sw_likely(added_event == SW_EVENT_READ)) {
reactor->remove_read_event(socket);
} else {
reactor->remove_write_event(socket);
}
}
#ifdef SW_USE_OPENSSL
want_event = SW_EVENT_NULL;
#endif
swoole_trace_log(SW_TRACE_SOCKET,
"socket#%d blongs to cid#%ld trigger %s event",
sock_fd,
co->get_cid(),
get_trigger_event_name(this, added_event));
return !is_closed() && !errCode;
}
同理 send() 和 recv() 函数，也和 connect() 函数是一样的实现方式。
// swoole-src/src/coroutine/socket.cc:847
ssize_t Socket::send(const void *__buf, size_t __n) {
if (sw_unlikely(!is_available(SW_EVENT_WRITE))) {
return -1;
}
ssize_t retval;
TimerController timer(&write_timer, write_timeout, this, timer_callback);
do {
// 发送数据
retval = socket->send(__buf, __n, 0);
} while (retval < 0 && socket->catch_write_error(errno) == SW_WAIT && timer.start() &&
wait_event(SW_EVENT_WRITE, &__buf, __n));
check_return_value(retval);
return retval;
}
// swoole-src/src/coroutine/socket.cc:874
ssize_t Socket::recv(void *__buf, size_t __n) {
if (sw_unlikely(!is_available(SW_EVENT_READ))) {
return -1;
}
ssize_t retval;
TimerController timer(&read_timer, read_timeout, this, timer_callback);
do {
// 接收数据
retval = socket->recv(__buf, __n, 0);
} while (retval < 0 && socket->catch_read_error(errno) == SW_WAIT && timer.start() && wait_event(SW_EVENT_READ));
check_return_value(retval);
return retval;
}
也是调用 wait_event() 函数来实现当前的协程切换，唯一的区别就是事件的类型不同，一个是读事件，一个是写事件。
Run 协程容器
在 Swoole 中要想使用协程，那么必须要在协程的环境中使用协程的客户端，或者支持 Hook 的原生 PHP 函数。才能享受到 Swoole 中协程带来的高性能，不然和普通的 PHP 执行程序没有什么区别，变成了同步阻塞。
在源码中协程容器主要是实现了事件循环的初始化、协程上下文的创建管理、事件循环的 IO 事件监听，接下来我们会主要分析关于事件管理的部分内容。
// swoole-src/src/coroutine/base.cc:210
namespace coroutine {
bool run(const CoroutineFunc &fn, void *arg) {
// 事件循环的初始化
if (swoole_event_init(SW_EVENTLOOP_WAIT_EXIT) < 0) {
return false;
}
// 协程上下文的创建管理
Coroutine::activate();
long cid = Coroutine::create(fn, arg);
// 事件循环的 IO 事件监听
swoole_event_wait();
Coroutine::deactivate();
return cid > 0;
}
}
Event 事件初始化
Event 事件初始化主要是定义一些事件的回调函数，便于在事件被触发时恢复对应的协程进行后续的逻辑处理，例如：读事件回调函数 readable_event_callback、写事件回调函数 writable_event_callback 等。
// swoole-src/src/wrapper/event.cc:37
int swoole_event_init(int flags) {
if (!SwooleG.init) {
std::unique_lock<std::mutex> lock(init_lock);
swoole_init();
}
// 创建一个 Reactor 实例对象
Reactor *reactor = new Reactor(SW_REACTOR_MAXEVENTS);
if (!reactor->ready()) {
return SW_ERR;
}
if (flags & SW_EVENTLOOP_WAIT_EXIT) {
reactor->wait_exit = 1;
}
// Socket 事件初始化
coroutine::Socket::init_reactor(reactor);
coroutine::System::init_reactor(reactor);
network::Client::init_reactor(reactor);
SwooleTG.reactor = reactor;
return SW_OK;
}
// swoole-src/include/swoole_coroutine_sokcet.h:157
static inline void init_reactor(Reactor *reactor) {
// 定义对应事件的回调函数
reactor->set_handler(SW_FD_CO_SOCKET | SW_EVENT_READ, readable_event_callback);
reactor->set_handler(SW_FD_CO_SOCKET | SW_EVENT_WRITE, writable_event_callback);
reactor->set_handler(SW_FD_CO_SOCKET | SW_EVENT_ERROR, error_event_callback);
}
// swoole-src/src/coroutine/socket.c:48
int Socket::readable_event_callback(Reactor *reactor, Event *event) {
Socket *socket = (Socket *) event->socket->object;
socket->set_err(0);
#ifdef SW_USE_OPENSSL
if (sw_unlikely(socket->want_event != SW_EVENT_NULL)) {
if (socket->want_event == SW_EVENT_READ) {
// 恢复对应的协程
socket->write_co->resume();
}
} else
#endif
{
if (socket->recv_barrier && (*socket->recv_barrier)() && !event->socket->event_hup) {
return SW_OK;
}
// 恢复对应的协程
socket->read_co->resume();
}
return SW_OK;
}
Event 事件监听
Event 事件监听主要是针对被加入到事件循环中的 Socket 进行 IO 事件的监听，如果有读或写IO事件的触发，则回调到对应的处理函数上进行执行。
// swoole-src/src/warpper/event.cc:84
int swoole_event_wait() {
Reactor *reactor = SwooleTG.reactor;
int retval = 0;
if (!reactor->wait_exit or !reactor->if_exit()) {
// 事件循环等待调用
retval = reactor->wait(nullptr);
}
swoole_event_free();
return retval;
}
// swoole-src/src/reactor/epoll.cc:153
int ReactorEpoll::wait(struct timeval *timeo) {
Event event;
ReactorHandler handler;
int i, n, ret;
int reactor_id = reactor_->id;
int max_event_num = reactor_->max_event_num;
if (reactor_->timeout_msec == 0) {
if (timeo == nullptr) {
reactor_->timeout_msec = -1;
} else {
reactor_->timeout_msec = timeo->tv_sec * 1000 + timeo->tv_usec / 1000;
}
}
reactor_->before_wait();
while (reactor_->running) {
if (reactor_->onBegin != nullptr) {
reactor_->onBegin(reactor_);
}
// 监听 IO 事件
n = epoll_wait(epfd_, events_, max_event_num, reactor_->get_timeout_msec());
if (n < 0) {
if (!reactor_->catch_error()) {
swoole_sys_warning("[Reactor#%d] epoll_wait failed", reactor_id);
return SW_ERR;
} else {
goto _continue;
}
} else if (n == 0) {
reactor_->execute_end_callbacks(true);
SW_REACTOR_CONTINUE;
}
for (i = 0; i < n; i++) {
event.reactor_id = reactor_id;
event.socket = (Socket *) events_[i].data.ptr;
event.type = event.socket->fd_type;
event.fd = event.socket->fd;
if (events_[i].events & (EPOLLRDHUP | EPOLLERR | EPOLLHUP)) {
event.socket->event_hup = 1;
}
// read 读事件，这里的 handler 对应 readable_event_callback
if ((events_[i].events & EPOLLIN) && !event.socket->removed) {
handler = reactor_->get_handler(SW_EVENT_READ, event.type);
ret = handler(reactor_, &event);
if (ret < 0) {
swoole_sys_warning("EPOLLIN handle failed. fd=%d", event.fd);
}
}
// write 写事件，这里的 handler 对应 writable_event_callback
if ((events_[i].events & EPOLLOUT) && !event.socket->removed) {
handler = reactor_->get_handler(SW_EVENT_WRITE, event.type);
ret = handler(reactor_, &event);
if (ret < 0) {
swoole_sys_warning("EPOLLOUT handle failed. fd=%d", event.fd);
}
}
// error 错误处理，这里的 handler 对应 error_event_callback
if ((events_[i].events & (EPOLLRDHUP | EPOLLERR | EPOLLHUP)) && !event.socket->removed) {
// ignore ERR and HUP, because event is already processed at IN and OUT handler.
if ((events_[i].events & EPOLLIN) || (events_[i].events & EPOLLOUT)) {
continue;
}
handler = reactor_->get_error_handler(event.type);
ret = handler(reactor_, &event);
if (ret < 0) {
swoole_sys_warning("EPOLLERR handle failed. fd=%d", event.fd);
}
}
if (!event.socket->removed && (event.socket->events & SW_EVENT_ONCE)) {
reactor_->_del(event.socket);
}
}
_continue:
reactor_->execute_end_callbacks(false);
SW_REACTOR_CONTINUE;
}
return 0;
}
总结
- 协程又称轻量级线程，协程是用户级线程；不需要操作系统参与，创建切换成本低。
- Swoole 中的协程是无法利用多核 CPU 的，如果想利用多核 CPU 则需要依赖 Swoole 的多进程模型。
- Swoole 中协程的是利用的 Event 事件循环进行调度的，将遇到 IO 操作的 Socket 统一加入到事件循环中。
- 本次的源码分析旨在了解整个协程在 Swoole 中的运行逻辑，打开我们的思路，便于我们更好的体会到协程所带来的高性能价值。
