skynet消息队列结构分析

队列一般可以用链表来模拟，用两个指针，分别指向头节点和尾节点。尾节点指向插入数据的方向，头节点指向消耗数据的方向。skynet全局消息队列也用到了上面的数据结构：

struct message_queue {
	struct spinlock lock;
	uint32_t handle;
	int cap;
	int head;
	int tail;
	int release;
	int in_global;
	int overload;
	int overload_threshold;
	struct skynet_message *queue;
	struct message_queue *next;
};

struct global_queue {
	struct message_queue *head;
	struct message_queue *tail;
	struct spinlock lock;
};

每个节点的类型是message_queue，实际上他也是个消息队列，称为次级消息队列。重点说一下这个次级消息队列的数据结构与算法。

次级消息队列，实际上是一个数组，也就是缓冲区。他有两个哨兵，分别指向他的头部和尾部（head和tail）。次级消息队列中消息的push和pop实际上用到的是所谓的环形队列，他的思想是，刚开始时head和tail都为0，当有push数据后，tail开始移动，如图1所示。黄色表示环形缓冲区中的数据，白色表示环形缓冲区没有使用的区域。当消耗消息后变成图2所示。消息的大小等于tail - head

               

                图1                                               图2                                            图3

注意，tail指针的值也有可能小于head的。为什么呢？正如时钟一样，当指针指向12点之后，又会重新回到0点。所以当tail指针的值大于了容量cap，他又会绕回到0，此时他一定小于等于head。如图3所示。此时消息的大小等于tail + cap - head。

还有一个需要注意的问题是，当head与tail指针重合时说明缓冲区已满，需要扩大缓冲区，并拷贝原来的数据，如图4所示：

                                               图4

以上过程用代码实现为：

skynet_mq_pop(struct message_queue *q, struct skynet_message *message) {
	int ret = 1;
	SPIN_LOCK(q)

	if (q->head != q->tail) {
		*message = q->queue[q->head++];
		ret = 0;
		int head = q->head;
		int tail = q->tail;
		int cap = q->cap;

		if (head >= cap) {
			q->head = head = 0;
		}
		int length = tail - head;
		if (length < 0) {
			length += cap;
		}
		while (length > q->overload_threshold) {
			q->overload = length;
			q->overload_threshold *= 2;
		}
	} else {
		// reset overload_threshold when queue is empty
		q->overload_threshold = MQ_OVERLOAD;
	}

	if (ret) {
		q->in_global = 0;
	}
	
	SPIN_UNLOCK(q)

	return ret;
}

static void
expand_queue(struct message_queue *q) {
	struct skynet_message *new_queue = skynet_malloc(sizeof(struct skynet_message) * q->cap * 2);
	int i;
	for (i=0;icap;i++) {
		new_queue[i] = q->queue[(q->head + i) % q->cap];
	}
	q->head = 0;
	q->tail = q->cap;
	q->cap *= 2;
	
	skynet_free(q->queue);
	q->queue = new_queue;
}

void 
skynet_mq_push(struct message_queue *q, struct skynet_message *message) {
	assert(message);
	SPIN_LOCK(q)

	q->queue[q->tail] = *message;
	if (++ q->tail >= q->cap) {
		q->tail = 0;
	}

	if (q->head == q->tail) {
		expand_queue(q);
	}

	if (q->in_global == 0) {
		q->in_global = MQ_IN_GLOBAL;
		skynet_globalmq_push(q);
	}
	
	SPIN_UNLOCK(q)

好了，消息队列中用到的数据结构基本原理讲清楚了，下面说说消息的产生，消耗以及调度。

消息是如何写入到消息队列中去的呢？我们要向一个服务发消息，最终是通过调用skynet.send接口，将消息插入到该服务专属的次级消息队列的，次级消息队列的内容，并不是context结构的一部分（context只是引用了他的指针），因此，在一个服务执行callback的同时，其他服务（可能是多个线程内执行callback的其他服务）可以向它的消息队列里push消息，而mq的push操作，是加了一个自旋锁，以避免多个线程，同时操作一个消息队列。lua层的skynet.send接口，最终会调到c层的skynet_context_push。这个接口实质上，是通过handle将context指针取出来，然后再往消息队列里push消息。

worker线程则负责对消息队列进行调度（worker线程的数量，可以通过配置表指定）。skynet在启动时，会创建若干条worker线程（由配置指定）。消息调度规则是，每条worker线程，每次从全局消息队列global_mq中pop出一个次级消息队列，并从次级消息队列中pop出一条消息，并找到该次级消息队列的所属服务，将消息传给该服务的callback函数，执行指定业务，当逻辑执行完毕时，再将次级消息队列push回全局消息队列中。因为每个服务只有一个次级消息队列，每当一条worker线程，从全局消息队列中pop出一个次级消息队列时，其他线程是拿不到同一个服务，并调用callback函数，因此不用担心一个服务同时在多条线程内消费不同的消息，一个服务执行，不存在并发，线程是安全的。

整个worker线程的消费流程是：
a) worker线程每次，从global_mq中弹出一个次级消息队列，如果次级消息队列为空，则该worker线程投入睡眠，timer线程每隔2.5毫秒会唤醒一条睡眠中的worker线程，并重新尝试从全局消息队列中pop一个次级消息队列出来，当次级消息队列不为空时，进入下一步
b) 根据次级消息的handle，找出其所属的服务（一个skynet_context实例）指针，从次级消息队列中，pop出n条消息（受weight值影响），并且将其作为参数，传给skynet_context的cb函数，并调用它
c) 当完成callback函数调用时，就从global_mq中再pop一个次级消息队列中，供下一次使用，并将本次使用的次级消息队列push回global_mq的尾部
d) 返回第a步

 

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