[原创+转载] memcached源码学习-多线程模型

       本来计划研究memcached的多线程模型，后来发现网上博文《Memcached源码分析(线程模型)》写的非常好，因此，也省去了我的大部分时间，这里并不打算自己再重新总结。

        不过首先奉上我自己画的一张图，就称为memcached多线程交互的活动图吧，通过此图就基本掌握了main thread与单个worker thread的交互过程，图中序号表示基本的处理流程（图中driver_machine拼写错误，应为drive_machine，特此更正）。

下图为状态机，红色部分由具体的conn的运行状态决定：

        main thread在监听socket上注册EV_READ事件时，TCP设置conn状态为conn_listening，所以每次有新的连接请求时，因为conn_listening不存在向其它状态转换的路径，所以它只调用drive_machine中的conn_listening处理分支，其并不会执行其它部分；UDP直接创建一个状态为conn_read的conn，将其放入worker thread的new_conn_queue队列中。

        conn_listening处理中接收的新连接状态设置为conn_new_cmd。所以worker thread接收数据的的处理过程从conn_new_cmd部分代码开始，正常的流程为：conn_new_cmd->conn_parse_cmd，之后process_command处理各种不同的cmd（参照memcached协议）。

不知道是有些状态用不到，还是状态机没有画完全，存在不可到达状态。

下面是对《Memcached源码分析(线程模型)》一文的引用：

       [由于memcached的版本不同，下面会存在不同，不过基本流程相同]

先看下memcahced启动时线程处理的流程

memcached的多线程主要是通过实例化多个libevent实现的,分别是一个主线程和n个workers线程。
无论是主线程还是workers线程全部通过libevent异步事件模型来管理网络事件，实际上每个线程都是一个单独的libevent实例。

主线程负责监听客户端建立连接的请求，以及accept建立连接；
workers线程负责处理已经建立好的连接的读写等事件。

先看一下大致的图示：

首先看下主要的数据结构(thread.c)：

/* An item in the connection queue. */
typedef struct conn_queue_item CQ_ITEM;
struct conn_queue_item {
    int     sfd;
    int     init_state;
    int     event_flags;
    int     read_buffer_size;
    int     is_udp;
    CQ_ITEM *next;
};

CQ_ITEM 实际上是主线程accept后返回的已建立连接的fd的封装

/* A connection queue. */
typedef struct conn_queue CQ;
struct conn_queue {
    CQ_ITEM *head;
    CQ_ITEM *tail;
    pthread_mutex_t lock;
    pthread_cond_t  cond;
};

CQ是一个管理CQ_ITEM的单向链表

typedef struct {
    pthread_t thread_id;        /* unique ID of this thread */
    struct event_base *base;    /* libevent handle this thread uses */
    struct event notify_event;  /* listen event for notify pipe */
    int notify_receive_fd;      /* receiving end of notify pipe */
    int notify_send_fd;         /* sending end of notify pipe */
    CQ  new_conn_queue;         /* queue of new connections to handle */
} LIBEVENT_THREAD;

这是memcached里的线程结构的封装，可以看到每个线程都包含一个CQ队列，一条通知管道pipe
和一个libevent的实例event_base。

另外一个重要的最重要的结构是对每个网络连接的封装conn

typedef struct{
  int sfd;
  int state;
  struct event event;
  short which;
  char *rbuf;
  ... //这里省去了很多状态标志和读写buf信息等
}conn;

memcached主要通过设置/转换连接的不同状态，来处理事件（核心函数是drive_machine）

下面看下线程的初始化流程：

在memcached.c的main函数中，首先对主线程的libevent做了初始化

/* initialize main thread libevent instance */
 main_base = event_init();

然后初始化所有的workers线程，并启动，启动过程细节在后面会有描述

/* start up worker threads if MT mode */
thread_init(settings.num_threads, main_base);

接着主线程调用（这里只分析tcp的情况，目前memcached支持udp方式）

server_socket(settings.port, 0)

这个方法主要是封装了创建监听socket，绑定地址，设置非阻塞模式并注册监听socket的
libevent 读事件等一系列操作

然后主线程调用

/* enter the event loop */
event_base_loop(main_base, 0);

这时主线程启动开始通过libevent来接受外部连接请求，整个启动过程完毕

下面看看thread_init是怎样启动所有workers线程的，看一下thread_init里的核心代码

void thread_init(int nthreads, struct event_base *main_base) {
 //。。。省略
   threads = malloc(sizeof(LIBEVENT_THREAD) * nthreads);
    if (! threads) {
        perror("Can't allocate thread descriptors");
        exit(1);
    }

    // 原作者的memcached版本为1.2.6，不知道什么原因，这里存在错误，请以最新代码为准
    threads[0].base = main_base;
    threads[0].thread_id = pthread_self();
    // i从0开始，会冲掉上面的赋值，下面红色部分解释。
    for (i = 0; i < nthreads; i++) {
        int fds[2];
        if (pipe(fds)) {
            perror("Can't create notify pipe");
            exit(1);
        }

        threads[i].notify_receive_fd = fds[0];
        threads[i].notify_send_fd = fds[1];

    setup_thread(&threads[i]);
    }

    /* Create threads after we've done all the libevent setup. */
    for (i = 1; i < nthreads; i++) {
        create_worker(worker_libevent, &threads[i]);
    }
}

threads的声明是这样的
static LIBEVENT_THREAD *threads;

thread_init首先malloc线程的空间，然后第一个threads作为主线程，其余都是workers线程
然后为每个线程创建一个pipe，这个pipe被用来作为主线程通知workers线程有新的连接到达

看下setup_thread

static void setup_thread(LIBEVENT_THREAD *me) {
    if (! me->base) {
        me->base = event_init();
        if (! me->base) {
            fprintf(stderr, "Can't allocate event base\n");
            exit(1);
        }
    }

    /* Listen for notifications from other threads */
    event_set(&me->notify_event, me->notify_receive_fd,
              EV_READ | EV_PERSIST, thread_libevent_process, me);
    event_base_set(me->base, &me->notify_event);

    if (event_add(&me->notify_event, 0) == -1) {
        fprintf(stderr, "Can't monitor libevent notify pipe\n");
        exit(1);
    }

    cq_init(&me->new_conn_queue);
}

setup_thread主要是创建所有workers线程的libevent实例（主线程的libevent实例在main函数中已经建立）

由于之前 threads[0].base = main_base;所以第一个线程（主线程）在这里不会执行event_init()

注：我看的memcached-1.4.7源码中，main thread线程不是放在threads[0]位置的，而是在全局变量dispatcher_thread中保存，threads为全部的worker线程，其实对程序的理解影响并不大。

然后就是注册所有workers线程的管道读端的libevent的读事件，等待主线程的通知；
最后在该方法里将所有的workers的CQ初始化了。

create_worker实际上就是真正启动了线程，pthread_create调用worker_libevent方法，该方法执行
event_base_loop启动该线程的libevent。

这里我们需要记住每个workers线程目前只在自己线程的管道的读端有数据时可读时触发，并调用
thread_libevent_process方法

看一下这个函数

static void thread_libevent_process(int fd, short which, void *arg){
    LIBEVENT_THREAD *me = arg;
    CQ_ITEM *item;
    char buf[1];

    if (read(fd, buf, 1) != 1)
        if (settings.verbose > 0)
            fprintf(stderr, "Can't read from libevent pipe\n");

    item = cq_peek(&me->new_conn_queue);

    if (NULL != item) {
        conn *c = conn_new(item->sfd, item->init_state, item->event_flags,
                           item->read_buffer_size, item->is_udp, me->base);
        。。。//省略
    }
}

函数参数的fd是这个线程的管道读端的描述符
首先将管道的1个字节通知信号读出（这是必须的，在水平触发模式下如果不处理该事件，则会被循环通知，直到事件被处理）

cq_peek是从该线程的CQ队列中取队列头的一个CQ_ITEM,这个CQ_ITEM是被主线程丢到这个队列里的，item->sfd是已经建立的连接 的描述符，通过conn_new函数为该描述符注册libevent的读事件，me->base是代表自己的一个线程结构体，就是说对该描述符的事件 处理交给当前这个workers线程处理,conn_new方法的最重要的内容是：

conn *conn_new(const int sfd, const int init_state, const int event_flags,
                const int read_buffer_size, const bool is_udp, struct event_base *base) {
    。。。
            event_set(&c->event, sfd, event_flags, event_handler, (void *)c);
        event_base_set(base, &c->event);
        c->ev_flags = event_flags;
        if (event_add(&c->event, 0) == -1) {
        if (conn_add_to_freelist(c)) {
            conn_free(c);
        }
        perror("event_add");
        return NULL;
        }
    。。。
}

可以看到新的连接被注册了一个事件（实际是EV_READ|EV_PERSIST）,由当前线程处理（因为这里的event_base是该workers线程自己的）。

当该连接有可读数据时会回调event_handler函数，实际上event_handler里主要是调用memcached的核心方法drive_machine。

最后看看主线程是如何通知workers线程处理新连接的，主线程的libevent注册的是监听socket描述字的可读事件，就是说 当有建立连接请求时，主线程会处理，回调的函数是也是event_handler（因为实际上主线程也是通过conn_new初始化的监听socket 的libevent可读事件）。

最后看看memcached网络事件处理的最核心部分- drive_machine
需要铭记于心的是drive_machine是多线程环境执行的，主线程和workers都会执行drive_machine

static void drive_machine(conn *c) {
    bool stop = false;
    int sfd, flags = 1;
    socklen_t addrlen;
    struct sockaddr_storage addr;
    int res;

    assert(c != NULL);

    while (!stop) {

        switch(c->state) {
        case conn_listening:
            addrlen = sizeof(addr);
            if ((sfd = accept(c->sfd, (struct sockaddr *)&addr, &addrlen)) == -1) {
                //省去n多错误情况处理
                break;
            }
            if ((flags = fcntl(sfd, F_GETFL, 0)) < 0 ||
                fcntl(sfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK) < 0) {
                perror("setting O_NONBLOCK");
                close(sfd);
                break;
            }
            dispatch_conn_new(sfd, conn_read, EV_READ | EV_PERSIST,
                                     DATA_BUFFER_SIZE, false);
            break;

        case conn_read:
            if (try_read_command(c) != 0) {
                continue;
            }
        ....//省略
     }
 }

首先大家不到被while循环误导（大部分做java的同学都会马上联想到是个周而复始的loop）其实while通常满足一个 case后就会break了，这里用while是考虑到垂直触发方式下，必须读到EWOULDBLOCK错误才可以。

言归正传，drive_machine主要是通过当前连接的state来判断该进行何种处理，因为通过libevent注册了读写时间后回调的都是 这个核心函数，所以实际上我们在注册libevent相应事件时，会同时把事件状态写到该conn结构体里，libevent进行回调时会把 该conn结构作为参数传递过来，就是该方法的形参。

memcached里连接的状态通过一个enum声明

enum conn_states {
    conn_listening,  /** the socket which listens for connections */
    conn_read,       /** reading in a command line */
    conn_write,      /** writing out a simple response */
    conn_nread,      /** reading in a fixed number of bytes */
    conn_swallow,    /** swallowing unnecessary bytes w/o storing */
    conn_closing,    /** closing this connection */
    conn_mwrite,     /** writing out many items sequentially */
};

实际对于case conn_listening:这种情况是主线程自己处理的，workers线程永远不会执行此分支
我们看到主线程进行了accept后调用了
  dispatch_conn_new(sfd, conn_read, EV_READ | EV_PERSIST,DATA_BUFFER_SIZE, false);

  这个函数就是通知workers线程的地方，看看

void dispatch_conn_new(int sfd, int init_state, int event_flags,
                       int read_buffer_size, int is_udp) {
    CQ_ITEM *item = cqi_new();
    int thread = (last_thread + 1) % settings.num_threads;

    last_thread = thread;

    item->sfd = sfd;
    item->init_state = init_state;
    item->event_flags = event_flags;
    item->read_buffer_size = read_buffer_size;
    item->is_udp = is_udp;

    cq_push(&threads[thread].new_conn_queue, item);

    MEMCACHED_CONN_DISPATCH(sfd, threads[thread].thread_id);
    if (write(threads[thread].notify_send_fd, "", 1) != 1) {
        perror("Writing to thread notify pipe");
    }
}

可以清楚的看到，主线程首先创建了一个新的CQ_ITEM，然后通过round robin策略选择了一个thread
并通过cq_push将这个CQ_ITEM放入了该线程的CQ队列里，那么对应的workers线程是怎么知道的呢

就是通过这个
write(threads[thread].notify_send_fd, "", 1）
向该线程管道写了1字节数据，则该线程的libevent立即回调了thread_libevent_process方法（上面已经描述过）， 然后那个线程取出item,注册读时间，当该条连接上有数据时，最终也会回调drive_machine方法，也就是 drive_machine方法的 case conn_read:等全部是workers处理的，主线程只处理conn_listening 建立连接。