Libevent初探及其设计模式

libevent介绍

Libevent是一个用C语言编写的、轻量级的开源高性能事件通知库，主要有以下几个亮点：
1、事件驱动（ event-driven），高性能;轻量级，专注于网络，不如 ACE 那么臃肿庞大；
2、源代码相当精炼、易读；跨平台，支持 Windows、 Linux、 *BSD 和 Mac Os；
3、支持多种 I/O 多路复用技术， epoll、 poll、 dev/poll、 select 和 kqueue 等；
4、支持 I/O，定时器和信号等事件；注册事件优先级。Libevent 已经被广泛的应用，作为底层的网络库；

libevent源代码文件组织

1、前言

详细分析源代码之前，如果能对其代码文件的基本结构有个大概的认识和分类，对于代码的分析将是大有裨益的。本节内容不多，我想并不是说它不重要！

2、源代码组织结构

Libevent的源代码虽然都在一层文件夹下面，但是其代码分类还是相当清晰的，主要可分为头文件、内部使用的头文件、辅助功能函数、日志、libevent框架、对系统I/O多路复用机制的封装、信号管理、定时事件管理、缓冲区管理、基本数据结构和基于libevent的两个实用库等几个部分，有些部分可能就是一个源文件。
源代码中的test部分就不在我们关注的范畴了。
1）头文件
主要就是event.h：事件宏定义、接口函数声明，主要结构体event的声明；
2）内部头文件
xxx-internal.h：内部数据结构和函数，对外不可见，以达到信息隐藏的目的；
3）libevent框架
event.c：event整体框架的代码实现；
4）对系统I/O多路复用机制的封装
epoll.c：对epoll的封装；
select.c：对select的封装；
devpoll.c：对dev/poll的封装;
kqueue.c：对kqueue的封装；
5）定时事件管理
min-heap.h：其实就是一个以时间作为key的小根堆结构；
6）信号管理
signal.c：对信号事件的处理；
7）辅助功能函数
evutil.h 和evutil.c：一些辅助功能函数，包括创建socket pair和一些时间操作函数：加、减和比较等。
8）日志
log.h和log.c：log日志函数
9）缓冲区管理
evbuffer.c和buffer.c：libevent对缓冲区的封装；
10）基本数据结构
compat/sys下的两个源文件：queue.h是libevent基本数据结构的实现，包括链表，双向链表，队列等；_libevent_time.h：一些用于时间操作的结构体定义、函数和宏定义；
11）实用网络库
http和evdns：是基于libevent实现的http服务器和异步dns查询库；

Libevent事件处理流程

基本使用场景和事件流程：
当应用程序向libevent 注册一个事件后，libevent 内部是怎么样进行处理的呢？下面的图就给出了这一基本流程。

• 1、首先应用程序准备并初始化event，设置好事件类型和回调函数；这对应于event_set()、event_assign()和event_base_set()两个函数；
• 2、向libevent 添加该事件event。对于定时事件，libevent使用一个小根堆管理，key为超时时间；对于Signal和I/O事件，libevent将其放入到等待链表（wait list）中，这是一个双向链表结构；
• 3、程序调用event_base_dispatch()系列函数进入无限循环，等待事件发生，以epoll函数为例；每次循环前libevent会检查定时事件的最小超时时间tv，根据tv设置epoll的最大等待时间，以便于后面及时处理超时事件；当epoll_wait()返回后，首先检查超时事件，然后检查I/O事件；Libevent将所有的就绪事件，放入到激活链表中；然后对激活链表中的事件，调用事件的回调函数执行事件处理。

Libevent设计模式

5大IO模型

1、 同步阻塞IO（Blocking IO）
即传统的IO模型。当用户进程向系统发起read操作时，首先需要在内核中数据准备和内核态到用户进程的数据拷贝。当两个步骤都完成后，才会返回read结果状态，才能执行后续的数据处理操作。这种read会阻塞程序，现在大部分都不使用这种模式了。

{
    read(socket, buffer);
    process(buffer);
}

2、 同步非阻塞IO（Non-blocking IO）
默认创建的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket被设置为NONBLOCK。当用户进程向系统发起read操作时，立即返回，但此时并没有读取到数据。用户线程需要不断地发起read请求，并根据返回的结果是否完成状态（EWOULDBLOCK），来确定是否完成read操作。

while(read(socket, buffer) == SUCCESS) {
    process(buffer);
}

在非阻塞式IO中，用户进程需要不断的主动询问数据准备好了没有，需要消耗过多的CPU 资源。
3、 IO多路复用（IO Multiplexing）
即经典的Reactor设计模式，有时也称为异步阻塞IO，Linux中的epoll都是这种模型。以下以select为例进行说明。使用select函数进行IO请求和同步阻塞模型没有太大的区别，甚至还多了添加监视socket，以及调用select函数的额外操作，效率更差。但是，使用select以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个socket的IO请求。用户可以注册多个socket，然后不断地调用select读取被激活的socket，即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须通过多线程的方式才能达到这个目的。

{
    select(socket);
    while(1) {
        ready_sockets = select();
        for(socket in ready_sockets) {
            if(can_read(socket)) {
                read(socket, buffer);
                process(buffer);
            }
        }
    }
}

4、 异步IO（Asynchronous IO）
即Proactor设计模式，也称为异步非阻塞IO。用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而内核在接收到asynchronous read之后，内核会进行数据准备和数据拷贝至用户内存，当这两个步骤都完成后，内核会给用户进程发送一个signal，通知read操作完成。这一过程不会对用户进程产生任何block。

相比于IO多路复用模型，异步IO并不十分常用，不少高性能并发服务程序使用IO多路复用模型+多线程任务处理的架构基本可以满足需求。况且目前操作系统对异步IO的支持并非特别完善，更多的是采用IO多路复用模型模拟异步IO的方式（IO事件触发时不直接通知用户线程，而是将数据读写完毕后放到用户指定的缓冲区中）
下面用一张图区别四种模型的区别：

Reactor模式

Reactor模式是编写高性能网络服务器的必备技术之一，它具有如下的优点：
1、响应快，不必为单个同步时间所阻塞，虽然Reactor本身依然是同步的；
2、编程相对简单，可以最大程度的避免复杂的多线程及同步问题，并且避免了多线程进程的切换开销；
3、可扩展性，可以方便的通过增加Reactor实例个数来充分利用CPU资源；
4、可复用性，reactor框架本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性。

下图描述了Reactor模式的框架，主要包括：事件源、框架部分(Reactor)、事件多路分发机制(event demultiplexing)、事件处理程序(event handler)。

1、事件源：Linux 上是文件描述符， Windows 上就是 Socket 或者 Handle 了，这里统一称为“句柄集”；程序在指定的句柄上注册关心的事件，比如 I/O 事件。

在libevent中有三种类型的事件：定时器事件(time event)、信号事件(signal event)和I/O事件。

2、事件多路分发机制(event demultiplexing)
需要使用底层提供的多路复用机制，如evport, select , poll, epoll, kqueue, devpoll. 用户进程首先在event demultiplexing上注册事件，采用合适的多路复用机制检测事件，当事件发生时，event demultiplexing发出通知“在已经注册的事件集中，一个或多个事件已经就绪“，程序收到通知后对事件进行处理。

1）libevent中对多路复用机制进行了封装，使得根据操作系统，可以选择最高效的IO机制。

2）事件注册：
首先，对event进行初始化，并将event与event_base(可以理解为事件库）关联起来，如下：

event_new(struct event_base base, evutil_socket_t fd, short events, void (*cb)(evutil_socket_t, short, void ), void *arg)
1
其中cb表示事件处理函数，也即回调函数，需要用户实现。

然后，将事件添加到事件库，此时event的状态为pending：
int event_add(struct event *ev, const struct timeval *tv);

3）事件触发：
在事件加入event_base后，选择合适的多路复用机制遍历事件队列，将状态为激活（active）的事件插入到激活队列中，从高到低优先级遍历激活event优先级数组。对于激活的event，调用event_queue_remove将之从激活队列中删除掉。然后再对这个event调用其回调函数。