微信后台 phxrpc (v0.8) 之 编译&&整体流程&&部分代码解析(一)

一.简介

微信在2016年发布了一个RPC框架phxrpc，github地址是：phxrpc。号称微信后台很多地方都使用到了，看了下，代码总体来说比较简单，但是其中有一些很有意思的地方，后面慢慢讲。

二.编译运行

可以见微信文档[可能是phcrpc仅有的文档：）]：编译。

此处自己来总结一下：
PhxRPC必须依赖的第三方库只有Protobuf。在编译前，在third_party目录放置好protobuf目录，或者通过软链的形式。这个third_party目录是没有的，需要自己创建，并且将protobuf代码放进去，protobuf链接。

1.编译protobuf

1. 进入third_party/protobuf目录。
2. ./autogen.sh
3. ./configure CXXFLAGS=-fPIC –prefix=[当前目录绝对路径], 这一步CXXFLAGS和–prefix都必须设置对。
4. make && make install
5. 编译完成后检查是否在当前目录成功生成bin,include,lib三个子目录。

2.编译phxrpc

1. 进入PhxRPC根目录。
2. make
3. 编译完成后检查是否生成lib子目录，并检查lib目录下是否生成静态库libphxrpc.a.
4. 上面三步其实不仅生成了libphxrpc.a，还生成了sample中的代码，sample中的代码默认生成使用的是：

../codegen/phxrpc_pb2server -I ../ -I ../third_party/protobuf/include -f search.proto -d .

所以如果想要生成的worker是使用协程方式执行，需要在sample下重新生成，或者你直接修改sample中的Makefile文件就OK：

../codegen/phxrpc_pb2server -I ../ -I ../third_party/protobuf/include -f search.proto -d . -u

3.运行
进入sample，执行server：

./search_main -c search_server.conf

后面的-c是server的配置文件。

执行client：

./search_tool_main -f PHXEcho -s "hello"

这个search_tool_main是封装了client的可执行文件，上面的-f代表需要调用server中的哪个函数，-s代表这个函数需要什么参数。
如果需要使用方法，直接执行：

./search_tool_main

会有usage的提示。

三.整体思路

下面着重讲一下phxrpc的整体的实现思路。
1).phxrpc的网络框架使用的epoll来进行调度的，你会看到各种各样的epoll，还有很多让我自己都觉得自己“无知”的写法：）。
2).phx并没有使用常规的“异步+回调”的方式，转而使用“协程”来处理线程中的阻塞问题。这个还是蛮有意思的，后面慢慢讲。
其他的就没什么特别的trick了。

1.一些重要对象

phxrpc中主要的对象有以下几种：

• HshaServer：server对象
• HshaServer Unit：逻辑上的工作单元，可以理解成是一个工厂，存在多个，一个unit可以包含多个worker。server接收到的client会分配给这些unit进行实际的处理。
• Data flow：所有的数据(包括request和response)都会进入data flow，谁需要就从data flow中拉取。
• Worker Pool：管理所有的workers
• Worker：实际的工作线程(每个都是独立的线程)。如果是协程模式，那么每个worker中存在多个协程工作实例，通过epoll进行管理这些协程。
• Epoll：IO调度使用的是epoll。具体怎么做下面再说。
• Runtime：我想说这是一个很诡异的名字，Orz…。这个其实就要用于调度所有的协程的控制结构，所有的协程都会注册到这个结构中。

这些对象的生成过程(流程)如下图，结合下图慢慢讲：

1.首先创建一个HshaServer对象

2.HshaServer会创建多个Server Unit：

auto hsha_server_unit = new HshaServerUnit(this, i, (int)worker_thread_count_per_io,config.GetWorkerUThreadCount(), worker_utherad_stack_size, dispatch,args);

3.每个Server unit会创建worker 和 epoll scheduler

// 每个Unit的构造如下：
HshaServerUnit :: HshaServerUnit(
        HshaServer * hsha_server,
        int idx, 
        int worker_thread_count, 
        int worker_uthread_count_per_thread,
        int worker_utherad_stack_size,
        Dispatch_t dispatch, 
        void * args) :
    hsha_server_(hsha_server),
#ifndef __APPLE__
    scheduler_(8 * 1024, 1000000, false), 
#else
    // 创建epoll调度器，用于管理client的fds
    scheduler_(32 * 1024, 1000000, false), 
#endif
    // 创建worker pool
    // 本质相当于一个线程池
    // 每个worker是一个线程，在new Worker的时候创建的~
    worker_pool_(&scheduler_, worker_thread_count, worker_uthread_count_per_thread, 
            worker_utherad_stack_size, &data_flow_, &hsha_server_->hsha_server_stat_, dispatch, args),

    // server io
    hsha_server_io_(idx, &scheduler_, hsha_server_->config_, &data_flow_,&hsha_server_->hsha_server_stat_, &hsha_server_->hsha_server_qos_, &worker_pool_),
    // 需要注意：当前的这个线程是 epoll 的IO线程！！！
    // 看RunFunc里面的代码就知道了
    // 后面调用了：scheduler_->RunForever();
    thread_(&HshaServerUnit::RunFunc, this) {
}

上面的代码显示Unit创建了：
worker pool：每个worker都是一个独立的线程(在Worker的构造函数中可知)。
epoll schedule + 独立io线程：用于调度所有的client socket fd。

4.worker pool 创建多个worker

WorkerPool :: WorkerPool(
        UThreadEpollScheduler * scheduler, 
        int thread_count, 
        int uthread_count_per_thread,
        int utherad_stack_size,
        DataFlow * data_flow, 
        HshaServerStat * hsha_server_stat, 
        Dispatch_t dispatch, 
        void * args)
    : scheduler_(scheduler), data_flow_(data_flow), 
    hsha_server_stat_(hsha_server_stat), dispatch_(dispatch),
    args_(args), last_notify_idx_(0) {
    // 创建多个worker
    for (int i = 0; i < thread_count; i++) {
        // 创建一个最底层的实际做事的worker
        auto worker = new Worker(this, uthread_count_per_thread, utherad_stack_size);
        assert(worker != nullptr);
        worker_list_.push_back(worker);
    }
}

再看worker的代码：

Worker :: Worker(WorkerPool * pool, const int uthread_count, int utherad_stack_size)
    : pool_(pool), uthread_count_(uthread_count), utherad_stack_size_(utherad_stack_size), shut_down_(false), 
    worker_scheduler_(nullptr), thread_(&Worker::Func, this) {
}

上面代码可知每个worker是一个独立的线程。

5.data flow

用于存储所有的resp和req数据。

至此：每个对象基本的功能都基本清楚了。

2.基本流程

本小节讲一下基本的流程。

左侧主线程负责监听client请求：

[详见代码：hsha_server.cpp，HshaServerAcceptor :: LoopAccept函数]
这段逻辑是最常规的Linux网络编程中的步骤：
1).创建监听socket，注意需要下面设置：

setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char*) &flags, sizeof(flags)) 

需要设置SO_REUSEADDR标志。
作用：假设server在某种情况下进程被杀死，但是这个时候server的端口是没有被释放的，一般会内核保存一段时间，这个时候重启server的时候没法使用之前的地址，这样显然是不行的，如果换了地址，client就找不到了，所以这个时候设置SO_REUSEADDR表示重启后可以直接使用，无需等待2MSL时间。

2). accept：

int accepted_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr*) &addr, &socklen);

接收client的请求。

3).将新的client分配给一个server unit。然后返回继续监听。

右边图示解释：

右侧其实是多个server unit，图中只画出了一个server unit。对于每个server unit，包括三个模块分别是：epoll scheduler，data flow，workers。

1). epoll scheduler
[代码：uthread_epoll.cpp， UThreadEpollScheduler::Run()函数]
这里的epoll代码特别奇怪，不仅处理了socket事件，还把轮询放在一起执行了，看下面的代码你体会下：

// 此处超时时间写死hardcode：4ms
// 意思是：如果在4ms内有事件被触发，那么执行下面的代码
// 如果超时了，那么会强制执行一次，此时是没有socket事件的，但是
// 可以处理下面轮询的工作啊，Orz...
// 尼玛...
int nfds = epoll_wait(epoll_fd_, events, max_task_, 4);
...
// 处理socket事件读写
for (int i = 0; i < nfds; i++) {...}
... 

// 下面都是属于轮询(最迟4ms一次轮询)的工作

// 1. 读取data flow，看看有么有response可以读取，如果有
//    那么通知相应的socket进行写给client
if (active_socket_func_ != nullptr) {
    while ((socket = active_socket_func_()) != nullptr)
    ...
}
...
// 处理新接收的client
if (handler_accepted_fd_func_ != nullptr) {
    handler_accepted_fd_func_();
}
...

// 处理超时事件
// 这些超时时间其实是一个heap(小根堆)进行管理的
// 以后详细讲讲
DealwithTimeout(next_timeout);

上面的代码简直了，事件触发和轮询融合的“天衣无缝”…叼叼叼…

2).data flow
这个结构其实超级简单，就是两个队列：

// 缓存request队列
ThdQueue::pair > in_queue_;
// 缓存response队列
ThdQueue::pair > out_queue_;

这个结构本身不会有任何动作，所有的动作都是由想要写或者想要读的组件触发。
例如：
<1>. hsha_server.cpp的IOFunc()函数中，接收到client的请求后，将request写入data flow：

data_flow_->PushRequest((void *)socket, request);

<2>. 之前说过，在epoll的轮询中会去主动拉取data flow的response：

active_socket_func_
// 对应hsha_server.cpp中的ActiveSocketFunc函数
//scheduler_->SetActiveSocketFunc(std::bind(&HshaServerIO::ActiveSocketFunc, this));
// 这个函数中执行：从data flow中拉取response
int queue_wait_time_ms = data_flow_->PluckResponse(args, response);

<3>.前面的1)和2)代表的是放入client的request和获取最终的response结果，但是中间的处理是谁呢？？？OK，这时候应该想到是worker，看看worker是不是自取data的。(此处以worker的ThreadMode为例子)
在hsha_server.cpp的Worker :: ThreadMode()函数中：

// 主动从data flow拉取数据
// 也就是说，client的request数据最终是被worker消费的
int queue_wait_time_ms = pool_->data_flow_->PluckRequest(args, request);
...
// 下面处理逻辑
WorkerLogic(args, request, queue_wait_time_ms);

<4>. 在上面worker处理逻辑函数中WorkerLogic：

...
// 向data flow中发送response数据
pool_->data_flow_->PushResponse(args, response);
...

3).worker流程
worker的流程比较简单，每个worker都是run在独立的线程中的，如果是协程模式，那么每个线程中有多个协程，使用epoll进行调度。
基本就是下面简单的循环完事：

void Worker :: ThreadMode() {
    // 下面进入死循环
    while (!shut_down_) {
        // 空闲的worker++
        pool_->hsha_server_stat_->worker_idles_++;

        void * args = nullptr;
        HttpRequest * request = nullptr;
        // 空闲的worker会在此处进程拉取client的请求，如果没有拉到请求，那么worker继续等待
        int queue_wait_time_ms = pool_->data_flow_->PluckRequest(args, request);
        if (request == nullptr) {
            //break out
            continue;
        }

        // 拉到请求了，那么空闲的worker--
        pool_->hsha_server_stat_->worker_idles_--;

        // 下面worker开始执行逻辑
        WorkerLogic(args, request, queue_wait_time_ms);
    }
}

3.一些子模块解析

上图中的1~7个子模块，简单细讲一下：

1).处理socket事件读写
这个比较简单，epoll对于管理的套接字进行，没什么好说的。

2).从data flow拉取response数据
基本函数就三个：

UThreadSocket_t * HshaServerIO :: ActiveSocketFunc() {
    while (data_flow_->CanPluckResponse()) {
        ...
        int queue_wait_time_ms = data_flow_->PluckResponse(args, response);
        ...
        return socket;
    }
    return nullptr;
}

int DataFlow :: PluckResponse(void *& args, HttpResponse *& response) {
    ...
    bool succ = out_queue_.pluck(rp);
    ...
} 

bool pluck(T & value) {
    std::unique_lock lock(mutex_);
    if (break_out_) {
      return false;
    }
    // 如果队列空，等待数据
    while (queue_.empty()) {
        cv_.wait(lock);
        if (break_out_) {
            return false;
        }
    }
    // 队列中取数据
    size_--;
    value = queue_.front();
    queue_.pop();
    return true;
}

所以说到底，就是读取队列数据，注意多线程之间的互斥读取。此处的互斥使用的就是简单的加锁操作。

3).处理新到来的client fd
这个过程是比较重要的过程，从server主线程接收到client到最后，差不多分成三大步如下：

<1>.最左边1部分，是在主线程中执行的，Acceptor将新的client分配给一个server unit，本质是将其放进accepted_fd_list_结构中。epoll在轮询的时候会判断这个结构是否有数据存在。

<2>. epoll在轮询的时候会判断server unit的这个结构中是否存在数据，如果有说明有新的client，那么需要处理。
对应epoll轮询中的handler_accepted_fd_func_函数，这个函数在epoll初始化之前被赋值为：

scheduler_->SetHandlerAcceptedFdFunc(std::bind(&HshaServerIO::HandlerAcceptedFd, this));

所以请看hsha_server.cpp中的HandlerAcceptedFd函数：

// 在epoll scheduler中增加一些Task
void HshaServerIO :: HandlerAcceptedFd() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(queue_mutex_);
    while (!accepted_fd_list_.empty()) {
        int accepted_fd = accepted_fd_list_.front();
        accepted_fd_list_.pop();
        // 调度器增加一个task。
        // 以后每次使用epoll相应这些client的fd
        // 执行函数是IOFunc
        scheduler_->AddTask(std::bind(&HshaServerIO::IOFunc, this, accepted_fd), nullptr);
    }
}

这些task关联的函数是IOFunc。

需要注意，在epoll的run函数后面有一个ConsumeTodoList();函数，用于将所有的task加入协程scheduler中：

void UThreadEpollScheduler::ConsumeTodoList() {
    while (!todo_list_.empty()) {
        auto & it = todo_list_.front();
        // 对于当前的task，创建一个协程
        int id = runtime_.Create(it.first, it.second);
        // swap到创建的协程执行
        runtime_.Resume(id);
        todo_list_.pop();
    }
}

看runtime_.Resume(id)这一行，就是执行当前的协程，这个协程在创建的时候被定位到执行关联的函数处，这个具体实现在uthread_context_system.cpp中，暂时不多讲，后面再说。
所以当runtime_.Resume(id)时候其实就是执行HshaServerIO::IOFunc函数。

<3>.关于HshaServerIO::IOFunc函数
看注释，写的特别清楚！

void HshaServerIO :: IOFunc(int accepted_fd) {
    // 创建UThreadSocket_t，对原始的socket fd增加一些属性
    UThreadSocket_t * socket = scheduler_->CreateSocket(accepted_fd);
    UThreadTcpStream stream;
    // 新建一个缓冲区绑定到socket上
    // 这里很牛逼的把socket和缓冲区绑定在一起，下面的处理很方便
    // 这一块也很有意思，后面会细讲
    stream.Attach(socket);
    // 设置socket超时时间
    UThreadSetSocketTimeout(*socket, config_->GetSocketTimeoutMS()); 
    HshaServerStat::TimeCost time_cost;
    // 大循环
    while (true) {
        hsha_server_stat_->io_read_requests_++;
        HttpRequest * request = new HttpRequest;
        // 接收请求
        int socket_ret = HttpProto::RecvReq(stream, request);
        if (socket_ret != 0) {
            delete request;
            hsha_server_stat_->io_read_fails_++;
            hsha_server_stat_->rpc_time_costs_count_++;
            //phxrpc::log(LOG_ERR, "%s read request fail, fd %d", __func__, accepted_fd);
            break;
        }

        hsha_server_stat_->io_read_bytes_ += request->GetContent().size();

        // 判断data flow是否可以push请求到data flow队列中
        if (!data_flow_->CanPushRequest(config_->GetMaxQueueLength())) {
            delete request;
            hsha_server_stat_->queue_full_rejected_after_accepted_fds_++;
            break;
        }

        // Qos保证
        if (!hsha_server_qos_->CanEnqueue()) {
            //fast reject don't cal rpc_time_cost;
            delete request;
            hsha_server_stat_->enqueue_fast_rejects_++;
            //phxrpc::log(LOG_ERR, "%s fast reject, can't enqueue, fd %d", __func__, accepted_fd);
            break;
        }

        //if have enqueue, request will be deleted after pop.
        bool is_keep_alive = request->IsKeepAlive();
        std::string version = string(request->GetVersion() != nullptr ? request->GetVersion() : "");

        hsha_server_stat_->inqueue_push_requests_++;
        // 将获得request push到data flow队列中去
        data_flow_->PushRequest((void *)socket, request);

        // 这一块需要注意：
        // 如果worker是uthread协程模式，
        // 那么需要下面worker_pool_->Notify()是有效的，
        // 如果是线程模式无效，这个可以具体看worker中的UThreadMode()
        // 函数和ThreadMode()函数。对于ThreadMode，如果线程没有数据
        // 可读，那么会阻塞，如果是UThreadMode是epoll进行调度，
        // 所以当有数据的时候，需要通知有数据了，
        // 这个时候work pool会告诉某个woker(轮询告诉) ，
        // worker会发一个Notify给自己的epoll scheduler，
        // 提醒有数据可以读取了，然后worker的协程就可以读取了。
        // (注意上面的epoll scheduler是worker自己私有的，和前面不一样)
        //
        // 简单来说，这一步就是通知worker可以做事了，
        // worker做完后将resp放到data flow中，
        // epoll中的  HshaServerIO::ActiveSocketFunc() 函数
        // 会取出response放到socker的args中
        //
        worker_pool_->Notify();

        // 设置socket参数null
        UThreadSetArgs(*socket, nullptr);

        // 这一步特别有意思，UThreadWait本质上是当前的client协程让出
        // CPU，挂起，等待数据
        // 如果超时那么socket中数据是空，需要退出
        // 这一步什么时候能得到数据呢？
        // epoll中会主动去拉取data flow的response
        // 然后在相关的函数中会将response写入socket关联的缓冲区
        // 这样如果在超时时间内写入，那么下面的
        // UThreadGetArgs(*socket) != nullptr
        // 那么就完成了一次交互过程，尼玛，这耦合性太强了。
        UThreadWait(*socket, config_->GetSocketTimeoutMS());
        // 如果超时了还没有回复那么退出
        if (UThreadGetArgs(*socket) == nullptr) {
            //timeout
            hsha_server_stat_->worker_timeouts_++;
            hsha_server_stat_->rpc_time_costs_count_++;
            //because have enqueue, so socket will be closed after pop.
            socket = stream.DetachSocket(); 
            UThreadLazyDestory(*socket);

            //phxrpc::log(LOG_ERR, "%s timeout, fd %d sockettimeoutms %d", 
                    //__func__, accepted_fd, config_->GetSocketTimeoutMS());
            break;
        }

        hsha_server_stat_->io_write_responses_++;

        // 获取response
        HttpResponse * response = (HttpResponse *)UThreadGetArgs(*socket);
        HttpProto::FixRespHeaders(is_keep_alive, version.c_str(), response);

        // 发送response给client
        socket_ret = HttpProto::SendResp(stream, *response);
        hsha_server_stat_->io_write_bytes_ += response->GetContent().size();
        delete response;

        hsha_server_stat_->rpc_time_costs_count_++;

        if (socket_ret != 0) {
            hsha_server_stat_->io_write_fails_++;
        }

        // 如果不是keep live，那么break
        if(!is_keep_alive || (socket_ret != 0)) {
            break;
        } else {
            // 返回while(true)继续等待数据
            hsha_server_stat_->rpc_time_costs_ += time_cost.Cost();
        }
    }

    hsha_server_stat_->rpc_time_costs_ += time_cost.Cost();
    hsha_server_stat_->hold_fds_--;
}

看上面的注释基本就清楚了新的client和server的交互流程。但是总体看来，代码的耦合性太强了，差点绕晕。。。

4).处理超时事件
此处所有的超时事件都是被管理在一个heap(小根堆)中，每次epoll轮询的时候都会判断哪些事件已经超时了，如果已经超时，那么执行相应的协程代码。

5).从data flow拉取request数据
这个过程和上面拉取response数据是类似的。

6).处理Work logic
这个是worker实际的工作函数，如下：

void Worker :: WorkerLogic(void * args, HttpRequest * request, int queue_wait_time_ms) {
    // 统计信息
    pool_->hsha_server_stat_->inqueue_pop_requests_++;
    pool_->hsha_server_stat_->inqueue_wait_time_costs_ += queue_wait_time_ms;
    pool_->hsha_server_stat_->inqueue_wait_time_costs_count_++;

    HttpResponse * response = new HttpResponse;
    // 如果从数据队列中拉取请求数据超时，那么drop这个请求
    if (queue_wait_time_ms < MAX_QUEUE_WAIT_TIME_COST) {
        HshaServerStat::TimeCost time_cost;

        DispatcherArgs_t dispatcher_args(pool_->hsha_server_stat_->hsha_server_monitor_, 
                worker_scheduler_, pool_->args_);
        // 下面执行路由函数
        // 这个dispatch_其实是真的处理逻辑函数，是由最外层的
        // server_main.cpp中定义的，一般是void HttpDispatch(...)
        // 这个函数内部会根据调用的函数做一些分发，从而调用真实的处理函数
        pool_->dispatch_(*request, response, &dispatcher_args);

        pool_->hsha_server_stat_->worker_time_costs_ += time_cost.Cost();
    } else {
        pool_->hsha_server_stat_->worker_drop_requests_++;
    }

    // 将response数据fill给到data_flow_
    pool_->data_flow_->PushResponse(args, response);
    pool_->hsha_server_stat_->outqueue_push_responses_++;

    // 通知epoll有response数据可读了
    pool_->scheduler_->NotifyEpoll();

    delete request;
}

7).response写到data flow中
写队列，简单，不讲了。

OK，至此phxrpc的整体流程和部分复杂流程讲完了，哎，代码看下来，感觉耦合性挺强的，所以有点晕。。。后面几篇会写一些关键点的实现。