消息队列NetMQ 原理分析2-IO线程和完成端口

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前言

介绍

[NetMQ](https://github.com/zeromq/netmq.git)是ZeroMQ的C#移植版本,它是对标准socket接口的扩展。它提供了一种异步消息队列,多消息模式,消息过滤（订阅）,对多种传输协议的无缝访问。
当前有2个版本正在维护，版本3最新版为3.3.4，版本4最新版本为4.0.0-rc5。本文档是对4.0.0-rc5分支代码进行分析。

zeromq的英文文档
NetMQ的英文文档

目的

对NetMQ的源码进行学习并分析理解,因此写下该系列文章,本系列文章暂定编写计划如下：

1. 消息队列NetMQ 原理分析1-Context和ZObject
2. 消息队列NetMQ 原理分析2-IO线程和完成端口
3. 消息队列NetMQ 原理分析3-命令产生/处理和回收线程
4. 消息队列NetMQ 原理分析4-Session和Pipe
5. 消息队列NetMQ 原理分析5-Engine
6. 消息队列NetMQ 原理分析6-TCP和Inpoc实现
7. 消息队列NetMQ 原理分析7-Device
8. 消息队列NetMQ 原理分析8-不同类型的Socket
9. 消息队列NetMQ 原理分析9-实战

友情提示: 看本系列文章时最好获取源码,更有助于理解。

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IO线程

NetMQ 4.0.0底层使用的是IOCP(即完成端口)模式进行通信的(3.3.4使用的是select模型),通过异步IO绑定到完成端口,来最大限度的提高性能。这里不对同步/异步socket进行详细介绍。稍微解释下完成端口,为了解决每个socket客户端使用一个线程进行通信的性能问题，完成端口它充分利用内核对象的调度，只使用少量的几个线程来处理和客户端的所有通信，消除了无谓的线程上下文切换，最大限度的提高了网络通信的性能。
想详细了解完成端口的请看完成端口(Completion Port)详解,讲解的比较详细,同时对各种网络编程模型做了简单的介绍。
因此NetMQ通过几个(默认1个)IO线程处理通信,上一片文章介绍了ZObejct对象,在该对象中存在许多命令的处理,实际对命令的发送,分配都是IO线程的工作。

初始化IO线程

IO线程初始化时会初始化Proactor和IOThreadMailbox

var name = "iothread-" + threadId;
m_proactor = new Proactor(name);
m_mailbox = new IOThreadMailbox(name, m_proactor, this);

Proactor对象就是用来绑定或处理完成端口用的,后面再做作详细介绍。
IOThreadMailbox是IO线程处理的信箱,每当有命令需要处理时,都会向当前Socket对象所在的IO线程信箱发送命令。
让我们看一眼IOThread对象和IOThreadMailbox的定义

internal sealed class IOThread : ZObject, IMailboxEvent
{
}

IOThread对象继承自ZObject对象,记得上一节想到ZObject对象知道如何处理各种命令吗？因此IOThread对象也继承了他父亲的技能。同时IOThread对象实现了IMailboxEvent接口,这个接口之定义了一个方法。

internal interface IMailboxEvent
{
    void Ready();
}

当IO信箱接受到命令时表示当前有命令准备好了,可以进行 处理,IO信箱则会调用IO线程的Ready方法处理命令,那么IO信息如何调用IO线程的Ready方法呢，来看下IOThreadMailbox的构造函数。

internal class IOThreadMailbox : IMailbox
{
    ...
    public IOThreadMailbox([NotNull] string name, [NotNull] Proactor proactor, [NotNull] IMailboxEvent mailboxEvent)
    {
        m_proactor = proactor;
        m_mailboxEvent = mailboxEvent;
        Command cmd;
        bool ok = m_commandPipe.TryRead(out cmd);
    }
    ...
}

在IOThreadMailbox初始化时,传入了IMailboxEvent。

m_commandPipe是NetMQ的管道(Pipe),后面我们会对其做介绍,这里只要知道该管道用于存放命令即可,可以__暂时__理解为管道队列。

Proactor

每个IOThread会有一个Proactor,Proactor的工作就是将Socket对象绑定到完成端口,然后定时去扫描完成端口是否有需要处理的Socket对象。

internal class Proactor : PollerBase
{
    ...
    public Proactor([NotNull] string name)
    {
        m_name = name;
        m_stopping = false;
        m_stopped = false;
        m_completionPort = CompletionPort.Create();
        m_sockets = new Dictionary();
    }
    ...
}

Proactor对象继承自PollerBase,那么PollerBase又是什么呢?从命名可以看这是一个轮询基类,即该对象需要长时间不断循环处理某件事情。
PollerBase对象是一个抽象类,它有2个功能：

1. 负载均衡

   还记的Context中选择IO线程时有这个一段代码吗?
   
   IO线程的负载均衡功能就是PollBase对象提供的

   每次选择IO线程时会将m_load字段值+1
   protected void AdjustLoad(int amount) { Interlocked.Add(ref m_load, amount); }
public int Load { get { #if NETSTANDARD1_3 return Volatile.Read(ref m_load); #else Thread.MemoryBarrier(); return m_load; #endif } }
   在IOThread取PollBase对象(Proactor)的Load属性时候会特殊处理，保证拿到的是最新的值。

2. 定时任务
   PollBase第二个功能就是支持定时任务，即定时触发某事件。

   private readonly SortedList> m_timers;

   PollBase内部有一个SortedList,key为任务执行的时间,value为TimeInfo。
   TimeInfo对象包含2个信息，id和ITimerEvent接口,id用来辨别当前任务的类型,ITimerEvent接口就包含了TimerEvent方法,即如何执行。
   如TcpConnection连接失败会重新连接时会重连,下面时TcpConnection开始连接方法

   private void StartConnecting()
   {
       Debug.Assert(m_s == null);
   
       // Create the socket.
       try
       {
           m_s = AsyncSocket.Create(m_addr.Resolved.Address.AddressFamily, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
       }
       catch (SocketException)
       {
           AddReconnectTimer();
           return;
       }
       ...
   }
   private void AddReconnectTimer()
   {
       //获取重连时间间隔
       int rcIvl = GetNewReconnectIvl();
       //IO线程的Proactor中,TcpConnection的ReconnectTimerId = 1 
       m_ioObject.AddTimer(rcIvl, ReconnectTimerId);
       ...
   }

   IO线程会被封装到IOObject中,调用IOObject的AddTimer方法实际就是调用IO线程中Proactor对象的AddTimer方法,其方法定义如下

   public void AddTimer(long timeout, [NotNull] IProactorEvents sink, int id)
   {
       long expiration = Clock.NowMs() + timeout;
       var info = new TimerInfo(sink, id);
   
       if (!m_timers.ContainsKey(expiration))
           m_timers.Add(expiration, new List());
   
       m_timers[expiration].Add(info);
   }

   第一行会获取当前的毫秒时间加上时间间隔。然后加入到m_timers中。

m_completionPort = CompletionPort.Create();
m_sockets = new Dictionary();

初始化时会创建完成端口，当有socket需要处理时会和完成端口绑定。
初始化时还会初始化一个存放异步AsyncSocket和item的字典。
有关于AsyncSocket和CompletionPort可以去Git上看AsyncIO的源码,这里不做分析。
Item结构如下

private class Item
{
    public Item([NotNull] IProactorEvents proactorEvents)
    {
        ProactorEvents = proactorEvents;
        Cancelled = false;
    }

    [NotNull] 
    public IProactorEvents ProactorEvents { get; }
    public bool Cancelled { get; set; }
}

它包含了IProactorEvents接口的信息和当前Socket操作是否被取消标志。

internal interface IProactorEvents : ITimerEvent
{
    void InCompleted(SocketError socketError, int bytesTransferred);
    void OutCompleted(SocketError socketError, int bytesTransferred);
}

IProactorEvents继承自ITimerEvent。同时它还声明了InCompleted和OutCompleted方法，即发送或接收完成时如何处理，因此当需要处理Socket时，会将当前Socket处理方式保存到这个字典中。当当前对象发送消息完成,则会调用OutCompleted方法,接收完成时则会调用InCompleted方法。
当有Socket需要绑定时会调用Proactor的AddSocket方法

public void AddSocket(AsyncSocket socket, IProactorEvents proactorEvents)
{
    var item = new Item(proactorEvents);
    m_sockets.Add(socket, item);
    m_completionPort.AssociateSocket(socket, item);
    AdjustLoad(1);
}

它包含2个参数,一个时异步Socket对象和IProactorEvents。然后加把他们加入到字段中并将他们绑定到完成端口上。第四段AdjustLoad方法即把当前IO线程处理数量+1，用于负载均衡用。

当Socket操作完成时会调用Proactor的RemoveSocket移除绑定

public void RemoveSocket(AsyncSocket socket)
{
    AdjustLoad(-1);
    var item = m_sockets[socket];
    m_sockets.Remove(socket);
    item.Cancelled = true;
}

移除时会将item的Cancelled字段设置为true。所以当Proactor轮询处理Socket时发现该Socket操作被取消(移除),就会跳过处理。

启动Procator线程轮询

在IO线程启动时实际就是启动Procator的work线程

public void Start()
{
    m_proactor.Start();
}

public void Start()
{
    m_worker = new Thread(Loop) { IsBackground = true, Name = m_name };
    m_worker.Start();
}

处理socket

完整的Loop方法如下

private void Loop()
{
    var completionStatuses = new CompletionStatus[CompletionStatusArraySize];
    while (!m_stopping)
    {
        // Execute any due timers.
        int timeout = ExecuteTimers();
        int removed;
        if (!m_completionPort.GetMultipleQueuedCompletionStatus(timeout != 0 ? timeout : -1, completionStatuses, out removed))
            continue;
        for (int i = 0; i < removed; i++)
        {
            try
            {
                if (completionStatuses[i].OperationType == OperationType.Signal)
                {
                    var mailbox = (IOThreadMailbox)completionStatuses[i].State;
                    mailbox.RaiseEvent();
                }
                    // if the state is null we just ignore the completion status
                else if (completionStatuses[i].State != null)
                {
                    var item = (Item)completionStatuses[i].State;

                    if (!item.Cancelled)
                    {
                            switch (completionStatuses[i].OperationType)
                            {
                                case OperationType.Accept:
                                case OperationType.Receive:
                                    item.ProactorEvents.InCompleted(
                                        completionStatuses[i].SocketError,
                                        completionStatuses[i].BytesTransferred);
                                    break;
                                case OperationType.Connect:
                                case OperationType.Disconnect:
                                case OperationType.Send:
                                    item.ProactorEvents.OutCompleted(
                                        completionStatuses[i].SocketError,
                                        completionStatuses[i].BytesTransferred);
                                    break;
                                default:
                                    throw new ArgumentOutOfRangeException();
                            }
                        }
                    }
                }
            catch (TerminatingException)
            { }
        }
    }
}

 var completionStatuses = new CompletionStatus[CompletionStatusArraySize];

第一行初始化了CompletionStatus数组,CompletionStatusArraySize值为100。
CompletionStatus作用是用来保存socket的信息或状态。

获取超时时间

int timeout = ExecuteTimers();

 protected int ExecuteTimers()
{
    if (m_timers.Count == 0)
        return 0;
    long current = Clock.NowMs();
    var keys = m_timers.Keys;
    for (int i = 0; i < keys.Count; i++)
    {
        var key = keys[i];
        if (key > current)
        {
            return (int)(key - current);
        }
        var timers = m_timers[key];
        foreach (var timer in timers)
        {
            timer.Sink.TimerEvent(timer.Id);
        }
        timers.Clear();
        m_timers.Remove(key);
        i--;
    }
    return 0;
}

ExecuteTimers会计算之前加入到m_timers需要等待的超时时间,若没有对象则直接返回0,否则获取若获取到key时间在当前时间之前,则需要调用TimerEvent方法，调用完成后移除。
若获取到的key时间比当前时间大,则返回他们的差即为需要等待的超时时间。

从完成端口获取处理完的状态

int removed;
if (!m_completionPort.GetMultipleQueuedCompletionStatus(timeout != 0 ? timeout : -1, completionStatuses, out removed))
    continue;

GetMultipleQueuedCompletionStatus方法传入一个超时时间,若前面获取的超时时间为0,则这边会设置为-1,表示阻断直到有要处理的才返回。
CompletionPort内部维护了一个状态队列，removed即为处理完成返回的状态个数。
若获取成功则会返回true,后面就开始遍历completionStatuses数组处理完成Socket。

开始处理待处理的状态

public struct CompletionStatus
{
    internal CompletionStatus(AsyncSocket asyncSocket, object state, OperationType operationType, SocketError socketError, int bytesTransferred) : 
        this()
    {
        AsyncSocket = asyncSocket;
        State = state;
        OperationType = operationType;
        SocketError = socketError;
        BytesTransferred = bytesTransferred;
    }
    public AsyncSocket AsyncSocket { get; private set; }
    public object State { get; internal set; }
    public OperationType OperationType { get; internal set; }
    public SocketError SocketError { get; internal set; }
    public int BytesTransferred { get; internal set; }        
}

CompletionStatus是个结构体,它包含的信息如上。其中OperationType是当前Socket的处理方式。

public enum OperationType
{
    Send, Receive, Accept, Connect, Disconnect, Signal
} 

在for循环的一开始先会判断当前状态的OperationType,若是Signal,则说明当前是个信号状态,说明有命令需要处理,则会调用IO信箱的RaiseEvent方法,实际为IO线程的Ready方法。

public void Ready()
{
    Command command;
    while (m_mailbox.TryRecv(out command))
        command.Destination.ProcessCommand(command);
}

IOThread会将当前信箱的所有命令进行处理。
若不是Signal则会将CompletionStatus保存的状态信息转换为Item对象,并判断当前Socket是否移除(取消)。若没有则对其进行处理。判断OperationType,若为Accept或Receive则表示需要接收,则调用InCompleted方法。若为Connect,Disconnect或Send则表示有消息向外发送,则调用OutCompleted方法。

至此IOThread代码分析完毕。

IOObject

internal class IOObject : IProactorEvents
{
    public IOObject([CanBeNull] IOThread ioThread)
    {
        if (ioThread != null)
            Plug(ioThread);
    }
    public void Plug([NotNull] IOThread ioThread)
    {
        Debug.Assert(ioThread != null);
        m_ioThread = ioThread;
    }
}

IOObject实际就是保存了IOThread的信息和Socket处理完成时如何执行,以及向外暴露了一些接口。

再次说明,如果向简单了解完成端口如何使用,则看《完成端口使用》，如果想详细了解完成端口则看下《完成端口详细介绍》,如果想直到NetMQ的AsyncIO和完成端口的源码请看AsyncIO。

总结

该篇介绍了IO线程和完成端口的处理方式,若哪里分析的不到位或有误希望支出。

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作者博客：杰哥很忙
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