Libevent-2.1.8源码分析——锁和线程

1. 概述

libevent作为一个开源的高性能的事件通知库。经常被用作于多线程网络程序的开发。说到多线程我们想到的当然是线程安全。庆幸的是libevent是支持多线程的(默认情况下是不开启多线程的)。当我们调用 int evthread_use_windows_threads(void) 、int evthread_use_pthreads(void)或int evthread_set_condition_callbacks(const struct evthread_condition_callbacks *)则就开启了多线程的支持。
libevent的结构体在多线程下通常有三种工作方式:
  • 某些结构体只能使用在单线程:同时在多个线程中使用它们总是不安全的。
  • 某些结构具有可选择的锁: 可以告知libevent是否需要在多个线程中使用每个对象。
  • 某些结构体总是锁定的:如果libevent在支持锁的配置下运行,在多线程中使用它们总是安全的。
关于libevent锁和线程的说明:libevent的内部实现不需要多线程,为此我们在libevent的源码中也看不到有关线程的接口。多线程的使用无非就是在应用程序(比如说某个网络应用程序)上,既然libevent内部不会使用到线程,那么也就不需要相关的线程接口(如果说需要向libevent中注册线程使用的接口,在调用libevent线程接口,就显得多此一举,应该也没人这么做)。但是我们很有可能在某个多线程程序中使用libevent,那么就需要保证libevent中的某些结构体是线程安全的,为此libevent提供了锁和条件变量来确保线程的同步。

2. 锁和条件变量

和之前讨论的日志或内存管理类似,libevent运行我们定制自定义的锁和条件变量通过使用evthread_set_condition_callbacks,或者使用libevent针对Windows锁和条件变量的封装。Linux(Unix)锁和条件变量的封装。分别是evthread_use_windows_thread和evthread_use_pthreads,后面我们会提到。
先来看看对应的锁结构:
struct evthread_lock_callbacks {
	//锁的API版本号,通常是宏EVTHREAD_LOCK_API_VERSION
	int lock_api_version;
	//锁的类型:EVTHREAD_LOCKTYPE_RECURSIVE and EVTHREAD_LOCKTYPE_READWRITE
	unsigned supported_locktypes;
	
	//用于分配和构造类型为supported_locktypes的锁
	void *(*alloc)(unsigned locktype);
	//用于释放类型为supported_locktypes的锁
	void (*free)(void *lock, unsigned locktype);
	//加锁,成功返回0,失败返回非0
	int (*lock)(unsigned mode, void *lock);
	//解锁,成功返回0,失败返回非0
	int (*unlock)(unsigned mode, void *lock);
};
再来看看对应的条件变量结构:
struct evthread_condition_callbacks {
	//锁的API版本号,通常是宏EVTHREAD_CONDITION_API_VERSION
	int condition_api_version;
	//用于分配和构造一个条件变量,这个版本的condtype为0
	void *(*alloc_condition)(unsigned condtype);
	//用于释放该条件变量
	void (*free_condition)(void *cond);
	//唤醒等待线程,如果broadcast为1,则唤醒所有等待线程,否则值唤醒一个等待线程
	int (*signal_condition)(void *cond, int broadcast);
	//等待条件变量变为真,如果timeout为NULL则无限等待,否则等待timeout时间,该函数调用将持有锁
	int (*wait_condition)(void *cond, void *lock,
	    const struct timeval *timeout);
};
看到这里,相信对应POSIX的互斥量和条件变量熟悉的人来说,就不会很陌生了。当然可以参考我的另外2篇博客 互斥量和 条件变量。
接下来我们在说说锁的类型,
在头文件thread.h中定义了两个宏,用来表示不同的锁类型
/** A recursive lock is one that can be acquired multiple times at once by the
 * same thread.  No other process can allocate the lock until the thread that
 * has been holding it has unlocked it as many times as it locked it. */
#define EVTHREAD_LOCKTYPE_RECURSIVE 1
/* A read-write lock is one that allows multiple simultaneous readers, but
 * where any one writer excludes all other writers and readers. */
#define EVTHREAD_LOCKTYPE_READWRITE 2
  • supported_locktypes为0,那么表示是一个普通的互斥量。
  • supported_locktypes为EVTHREAD_LOCKTYPE_RECURSIVE,那么表示为一个递归锁。
  • supported_locktypes为EVTHREAD_LOCKTYPE_READWRITE,那么表示为一个读写锁。
对于上面三种锁类型,可以参考POSIX的互斥量和读写锁。对于不清楚递归锁和非递归锁的可以另行查找相关资料,这边就不多说了。
对于自定义我们自己的锁和条件变量可以调用下面2个接口:
int evthread_set_lock_callbacks(const struct evthread_lock_callbacks *);
int evthread_set_condition_callbacks(const struct evthread_condition_callbacks *);
这边为了方便,只对其中一个进行分析。就以锁的来分析。
int
evthread_set_lock_callbacks(const struct evthread_lock_callbacks *cbs)
{
	struct evthread_lock_callbacks *target = evthread_get_lock_callbacks();

#ifndef EVENT__DISABLE_DEBUG_MODE
	if (event_debug_mode_on_) {
		if (event_debug_created_threadable_ctx_) {
		    event_errx(1, "evthread initialization must be called BEFORE anything else!");
		}
	}
#endif

	if (!cbs) {
		if (target->alloc)
			event_warnx("Trying to disable lock functions after "
			    "they have been set up will probaby not work.");
		memset(target, 0, sizeof(evthread_lock_fns_));
		return 0;
	}
	if (target->alloc) {
		/* Uh oh; we already had locking callbacks set up.*/
		if (target->lock_api_version == cbs->lock_api_version &&
			target->supported_locktypes == cbs->supported_locktypes &&
			target->alloc == cbs->alloc &&
			target->free == cbs->free &&
			target->lock == cbs->lock &&
			target->unlock == cbs->unlock) {
			/* no change -- allow this. */
			return 0;
		}
		event_warnx("Can't change lock callbacks once they have been "
		    "initialized.");
		return -1;
	}
	if (cbs->alloc && cbs->free && cbs->lock && cbs->unlock) {
		memcpy(target, cbs, sizeof(evthread_lock_fns_));
		return event_global_setup_locks_(1);
	} else {
		return -1;
	}
}
事实上实现上很简单,就是将自定义的struct evthread_lock_callbacks结构,拷贝到一个全局变量中去。当然这里面还区分debug锁和非debug锁。
如果不想自己再去自定义锁和条件变量,那么libevent也为我们封装了window和Linux上的锁和条件变量,我们只需要调用evthread_use_windows_threads或evthread_use_pthreads接口即可。
我们来看看evthread_use_pthreads。
int
evthread_use_pthreads(void)
{
	struct evthread_lock_callbacks cbs = {
		EVTHREAD_LOCK_API_VERSION,
		EVTHREAD_LOCKTYPE_RECURSIVE,
		evthread_posix_lock_alloc,
		evthread_posix_lock_free,
		evthread_posix_lock,
		evthread_posix_unlock
	};
	struct evthread_condition_callbacks cond_cbs = {
		EVTHREAD_CONDITION_API_VERSION,
		evthread_posix_cond_alloc,
		evthread_posix_cond_free,
		evthread_posix_cond_signal,
		evthread_posix_cond_wait
	};
	/* Set ourselves up to get recursive locks. */
	if (pthread_mutexattr_init(&attr_recursive))
		return -1;
	if (pthread_mutexattr_settype(&attr_recursive, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE))
		return -1;

	evthread_set_lock_callbacks(&cbs);
	evthread_set_condition_callbacks(&cond_cbs);
	evthread_set_id_callback(evthread_posix_get_id);
	return 0;
}
里面有libevent帮我们封装好的锁和条件变量。这些封装就是POSIX的锁和条件变量的知识了,不在多说。不过这里并不支持读写锁,如果有需要的话需要自己封装。

3. 调试锁

为了帮助我们进行锁的使用,libevent提供了一个可选的“锁调试”特征。这个特征包装了锁调用,以便捕获典型的锁错误。开启调试锁需要在调用evthread_use_windows_threads或evthread_use_pthreads或自定义锁和条件变量的接口后,调用evthread_enable_lock_debugging。
典型的锁错误包括:
  • 解锁没有持有的锁
  • 重新锁定一个非递归锁
如果发生这些错误中的某一个libevent将断言失败,中断程序输出日志,帮助我们查找锁错误。
先来看看evthread_enable_lock_debugging函数:
void
evthread_enable_lock_debugging(void)
{
	struct evthread_lock_callbacks cbs = {
		EVTHREAD_LOCK_API_VERSION,
		EVTHREAD_LOCKTYPE_RECURSIVE,
		debug_lock_alloc,
		debug_lock_free,
		debug_lock_lock,
		debug_lock_unlock
	};
	if (evthread_lock_debugging_enabled_)
		return;
	memcpy(&original_lock_fns_, &evthread_lock_fns_,
	    sizeof(struct evthread_lock_callbacks));
	memcpy(&evthread_lock_fns_, &cbs,
	    sizeof(struct evthread_lock_callbacks));

	memcpy(&original_cond_fns_, &evthread_cond_fns_,
	    sizeof(struct evthread_condition_callbacks));
	evthread_cond_fns_.wait_condition = debug_cond_wait;
	evthread_lock_debugging_enabled_ = 1;

	/* XXX return value should get checked. */
	event_global_setup_locks_(0);
}
变量 evthread_lock_debugging_enabled_是个全局变量,当我们调用了 evthread_enable_lock_debugging接口evthread_lock_debugging_enabled_被置为1,表示使能了调试锁。
在来看看 original_lock_fns_evthread_lock_fns_是什么?
/* globals */
GLOBAL int evthread_lock_debugging_enabled_ = 0;
GLOBAL struct evthread_lock_callbacks evthread_lock_fns_ = {
	0, 0, NULL, NULL, NULL, NULL
};
GLOBAL unsigned long (*evthread_id_fn_)(void) = NULL;
GLOBAL struct evthread_condition_callbacks evthread_cond_fns_ = {
	0, NULL, NULL, NULL, NULL
};

/* Used for debugging */
static struct evthread_lock_callbacks original_lock_fns_ = {
	0, 0, NULL, NULL, NULL, NULL
};
static struct evthread_condition_callbacks original_cond_fns_ = {
	0, NULL, NULL, NULL, NULL
};
original_lock_fns_用于保存在调用 evthread_enable_lock_debugging之前的锁, evthread_lock_fns_则更新为调试锁。
然后,我们分析下debug_lock_alloc:
static void *
debug_lock_alloc(unsigned locktype)
{
	struct debug_lock *result = mm_malloc(sizeof(struct debug_lock));
	if (!result)
		return NULL;
	if (original_lock_fns_.alloc) {
		if (!(result->lock = original_lock_fns_.alloc(
				locktype|EVTHREAD_LOCKTYPE_RECURSIVE))) {
			mm_free(result);
			return NULL;
		}
	} else {
		result->lock = NULL;
	}
	result->signature = DEBUG_LOCK_SIG;
	result->locktype = locktype;
	result->count = 0;
	result->held_by = 0;
	return result;
}
事实上,上述的代码分析起来也简单,现在 original_lock_fns_实际上就是我们自定义的锁结构了,debug锁使用还是之前我们自定义的锁函数分配的。
struct debug_lock {
	unsigned signature;	//debug_lock签名
	unsigned locktype;	//锁的类型
	unsigned long held_by;	//线程id,表示哪个线程持有锁
	/* XXXX if we ever use read-write locks, we will need a separate
	 * lock to protect count. */
	int count;		//锁的引用计数
	void *lock;		//对应的锁结构
};
再来看看debug_lock_lock这个接口:
static int
debug_lock_lock(unsigned mode, void *lock_)
{
	struct debug_lock *lock = lock_;
	int res = 0;
	if (lock->locktype & EVTHREAD_LOCKTYPE_READWRITE)
		EVUTIL_ASSERT(mode & (EVTHREAD_READ|EVTHREAD_WRITE));
	else
		EVUTIL_ASSERT((mode & (EVTHREAD_READ|EVTHREAD_WRITE)) == 0);
	if (original_lock_fns_.lock)
		res = original_lock_fns_.lock(mode, lock->lock);
	if (!res) {
		evthread_debug_lock_mark_locked(mode, lock);
	}
	return res;
}
实际上还是调用自定义的锁函数,只是多了检查如果锁失败。
static void
evthread_debug_lock_mark_locked(unsigned mode, struct debug_lock *lock)
{
	EVUTIL_ASSERT(DEBUG_LOCK_SIG == lock->signature);
	++lock->count;
	if (!(lock->locktype & EVTHREAD_LOCKTYPE_RECURSIVE))
		EVUTIL_ASSERT(lock->count == 1);
	if (evthread_id_fn_) {
		unsigned long me;
		me = evthread_id_fn_();
		if (lock->count > 1)
			EVUTIL_ASSERT(lock->held_by == me);
		lock->held_by = me;
	}
}
当锁失败之后,会先进行引用计数的增加,如果是非递归锁,则进行断言。必须满足引用计数为1.不满足则进行日志输出,并终止程序。如果满足,那么就进行线程ID的断言,实际上evthread_id_fn是个可设置的线程id获得的函数指针。当锁被持有时,需要判断加锁的线程是否就是持有锁的线程(其实就是递归锁)。
最后我们在来看看解锁:
static int
debug_lock_unlock(unsigned mode, void *lock_)
{
	struct debug_lock *lock = lock_;
	int res = 0;
	evthread_debug_lock_mark_unlocked(mode, lock);
	if (original_lock_fns_.unlock)
		res = original_lock_fns_.unlock(mode, lock->lock);
	return res;
}
解锁也相对简单,evthread_debug_lock_mark_unlocked这个之后再看,其实也就是调用 我们定制的解锁。
static void
evthread_debug_lock_mark_unlocked(unsigned mode, struct debug_lock *lock)
{
	EVUTIL_ASSERT(DEBUG_LOCK_SIG == lock->signature);
	if (lock->locktype & EVTHREAD_LOCKTYPE_READWRITE)
		EVUTIL_ASSERT(mode & (EVTHREAD_READ|EVTHREAD_WRITE));
	else
		EVUTIL_ASSERT((mode & (EVTHREAD_READ|EVTHREAD_WRITE)) == 0);
	if (evthread_id_fn_) {
		unsigned long me;
		me = evthread_id_fn_();
		EVUTIL_ASSERT(lock->held_by == me);
		if (lock->count == 1)
			lock->held_by = 0;
	}
	--lock->count;
	EVUTIL_ASSERT(lock->count >= 0);
}
根据锁的类型进行断言读写锁或递归锁,再判断调用解锁的是否是持有锁的线程,以及进行引用计数的处理。
上面就是对libevent中锁进行简要的分析,当然不是很详细。

4. 源码中的使用

在libevent中我最先看的sample是 time-test.c。在这个例子里面event_add,就是事件的添加了。对于在多线程的环境下,进行事件的添加,毫无疑问是需要进行保护的,那么这个接口的实现就会进行加锁来保证线程安全。
int
event_add(struct event *ev, const struct timeval *tv)
{
	int res;

	if (EVUTIL_FAILURE_CHECK(!ev->ev_base)) {
		event_warnx("%s: event has no event_base set.", __func__);
		return -1;
	}

	EVBASE_ACQUIRE_LOCK(ev->ev_base, th_base_lock);

	res = event_add_nolock_(ev, tv, 0);

	EVBASE_RELEASE_LOCK(ev->ev_base, th_base_lock);

	return (res);
}
果不其然,从源码中我们就可以知道EVBASE_ACQUIRE_LOCK进行加锁,EVBASE_RELEASE_LOCK进行解锁。这两个都是宏。
先来看看EVBASE_ACQUIRE_LOCK:
如果没有使能多线程支持,那么就什么都不处理:
#define EVUTIL_NIL_STMT_ ((void)0)

#define EVBASE_ACQUIRE_LOCK(base, lock) EVUTIL_NIL_STMT_
#define EVBASE_RELEASE_LOCK(base, lock) EVUTIL_NIL_STMT_
如果使能多线程支持:
/** Lock an event_base, if it is set up for locking.  Acquires the lock
    in the base structure whose field is named 'lockvar'. */
#define EVBASE_ACQUIRE_LOCK(base, lockvar) do {				\
		EVLOCK_LOCK((base)->lockvar, 0);			\
	} while (0)
里面还是个宏。
如果没有使能锁:
#define EVUTIL_NIL_STMT_ ((void)0)

#define EVLOCK_LOCK(lockvar, mode) EVUTIL_NIL_STMT_
在window上:
/** Acquire a lock. */
#define EVLOCK_LOCK(lockvar,mode)					\
	do {								\
		if (lockvar)						\
			evthreadimpl_lock_lock_(mode, lockvar);		\
	} while (0)
在Linux/Unix上:
/** Acquire a lock. */
#define EVLOCK_LOCK(lockvar,mode)					\
	do {								\
		if (lockvar)						\
			evthread_lock_fns_.lock(mode, lockvar);		\
	} while (0)
本人对linux上的比较熟悉,就以Linux上作为分析。
实际上就是我们自定义的lock函数了。解锁差不多,就不在重复了。

5. 总结

虽然并没有很详细的进行分析,可能还有一些理解错误的地方,但是对于libevent的锁和线程的分析算是告一段落了。



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