浅析State-Thread

2019/07/09 15:06
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State-Thread(以下简称st),是一个由C语言编写的小巧、简洁却高效的开源协程库。这个库基于单线程运作、不强制占用用户线程,给予了开发者最大程度的轻量级和较低的侵入性。本篇文章中,网易云信音视频研发大神将为大家简要分析State-Thread,欢迎大家积极留言,和我们共同讨论。

在开始这个话题之前,我们先来聊一聊协程。

什么是协程?

协程是一种程序组件。通常我们把协程理解为是一种程序自己实现调度、用于提高运行效率、降低开发复杂度的东西。提高运行效率很好理解,因为在程序层自己完成了部分的调度,降低了对系统调度的依赖,减少了大量的中断和换页操作。而降低了开发复杂度,则是指对于开发者而言,可以使用同步的方式去进行代码开发(不需要考虑异步模型的诸多回调),也不需要考虑多线程模型的线程调度和诸多的临界资源问题。

很多语言都拥有协程,例如python或者golang。而对于c/c++而言,通常实现协程的常见方式,通常是依赖于glibc提供的setjump&longjump或者基于汇编语言,当然还有基于语义实现(protothread)。linux上使用协程库的方式,通常也会分为替换函数和更为暴力的替换so来实现。当然而各种方式有各自的优劣。而st选用的汇编语言实现setjump&longjump和要求用户调用st_打头的函数来嵌入程序。所以st具备了跨平台的能力,以及让开发者们更开心的“与允许调用者自行选择切换时机”的能力。

st究竟是如何实现了这一切?

首先我们先看看st的整体工作流程

 

 

在宏观的来看,ST的结构主要分成:

  1. vp_schedule。主要是负责了一个调度的能力。有点类似于linux内核当中的schedule()函数。每次当这个函数被调用的时候,都会完成一次线程的切换。
  2. 各种Queue。用于保存各种状态下等待被调度协程(st_thread)
  3. Timer。用于记录各种超时和sleep。
  4. poll。用于监听各种io事件,会根据系统能力不同而进行切换(kqueue、epoll、poll、select)。
  5. st_thread。用于保存各种协程的信息。

其中比较重要的是schedule模块和thread模块两者。这两者实现了一个完整的协程切换和调度。属于st的核心。而schedule部分通常是开发者们最需要关心的部分。

接下来我们会深入到代码层,看一下具体在这个过程里做了些什么

通常对于st而言,所有暴露给用户的除了init函数,就是一系列的st_xxx函数了。那么先看看init函数。

int st_init(void)
{
_st_thread_t *thread;
 if (_st_active_count) {
/* Already initialized */
return 0;
}
 /* We can ignore return value here */
st_set_eventsys(ST_EVENTSYS_DEFAULT);
 if (_st_io_init() < 0)
return -1;
 memset(&_st_this_vp, 0, sizeof(_st_vp_t));
 ST_INIT_CLIST(&_ST_RUNQ);
ST_INIT_CLIST(&_ST_IOQ);
ST_INIT_CLIST(&_ST_ZOMBIEQ);
 if ((*_st_eventsys->init)() < 0)
return -1;
 _st_this_vp.pagesize = getpagesize();
_st_this_vp.last_clock = st_utime();
 /*
* Create idle thread
*/
_st_this_vp.idle_thread = st_thread_create(_st_idle_thread_start,
NULL, 0, 0);
if (!_st_this_vp.idle_thread)
  return -1;
_st_this_vp.idle_thread->flags = _ST_FL_IDLE_THREAD;
_st_active_count--;
_ST_DEL_RUNQ(_st_this_vp.idle_thread);
 /*
* Initialize primordial thread
*/
thread = (_st_thread_t *) calloc(1, sizeof(_st_thread_t) +
(ST_KEYS_MAX * sizeof(void *)));
if (!thread)
return -1;
thread->private_data = (void **) (thread + 1);
thread->state = _ST_ST_RUNNING;
thread->flags = _ST_FL_PRIMORDIAL;
_ST_SET_CURRENT_THREAD(thread);
_st_active_count++;
 return 0;
}

这段函数一共做了3事情,创建了一个idle_thread, 初始化了_ST_RUNQ、_ST_IOQ、

_ST_ZOMBIEQ三个队列,把当前调用者初始化成原始函数(通常st_init会在main里面调用,所以这个原始的thread相当于是主线程)。idle_thread函数,其实就是整个IO和定时器相关的本体函数了。st会在每一次_ST_RUNQ运行完成后,调用idle_thread来获取可读写的io和定时器。这个我们后续再说。

那么,st_xxx一般会分成io类和延迟类(sleep)。两者入口其实是同一个,只不过在io类的会多调用一层。我们这里选择st_send为代表。

int st_sendmsg(_st_netfd_t *fd, const struct msghdr *msg, int flags,
  st_utime_t timeout)
{
int n;
 while ((n = sendmsg(fd->osfd, msg, flags)) < 0) {
if (errno == EINTR)
continue;
if (!_IO_NOT_READY_ERROR)
return -1;
/* Wait until the socket becomes writable */
if (st_netfd_poll(fd, POLLOUT, timeout) < 0)
return -1;
}
 return n;
}

本质上所有的st函数都是以异步接口+ st_netfd_poll来实现的。在st_netfd_poll以内,会去调用st_poll,而st_poll本质上会调用并且切换线程。

int st_netfd_poll(_st_netfd_t *fd, int how, st_utime_t timeout)
{
struct pollfd pd;
int n;
 pd.fd = fd->osfd;
pd.events = (short) how;
pd.revents = 0;
 if ((n = st_poll(&pd, 1, timeout)) < 0)
return -1;
if (n == 0) {
/* Timed out */
errno = ETIME;
return -1;
}
if (pd.revents & POLLNVAL) {
errno = EBADF;
return -1;
}
 return 0;
}
int st_poll(struct pollfd *pds, int npds, st_utime_t timeout)
{
struct pollfd *pd;
struct pollfd *epd = pds + npds;
_st_pollq_t pq;
_st_thread_t *me = _ST_CURRENT_THREAD();
int n;
 if (me->flags & _ST_FL_INTERRUPT) {
me->flags &= ~_ST_FL_INTERRUPT;
errno = EINTR;
return -1;
}
 if ((*_st_eventsys->pollset_add)(pds, npds) < 0)
return -1;
 pq.pds = pds;
pq.npds = npds;
pq.thread = me;
pq.on_ioq = 1;
_ST_ADD_IOQ(pq);
if (timeout != ST_UTIME_NO_TIMEOUT)
_ST_ADD_SLEEPQ(me, timeout);
me->state = _ST_ST_IO_WAIT;
 _ST_SWITCH_CONTEXT(me);
 n = 0;
if (pq.on_ioq) {
/* If we timed out, the pollq might still be on the ioq. Remove it */
_ST_DEL_IOQ(pq);
(*_st_eventsys->pollset_del)(pds, npds);
} else {
/* Count the number of ready descriptors */
for (pd = pds; pd < epd; pd++) {
if (pd->revents)
n++;
}
}
 if (me->flags & _ST_FL_INTERRUPT) {
me->flags &= ~_ST_FL_INTERRUPT;
errno = EINTR;
return -1;
}
 return n;
}

那么到此为止,st_poll中就出现了我们最关心的调度部分了

当一个线程进行调度的时候一般都是poll_add(如果是io操作),add_queue, _ST_SWITCH_CONTEXT完成一次调度。根据不同的类型,会add到不同的queue。例如需要超时,则会add到IOQ和SLEEPQ。而_ST_SWITCH_CONTEXT,则是最关键的切换线程操作了。

_ST_SWITCH_CONTEXT其实是一个宏,它的本质是调用了MD_SETJMP和_st_vp_schedule().

#define _ST_SWITCH_CONTEXT(_thread) \
ST_BEGIN_MACRO \
ST_SWITCH_OUT_CB(_thread); \
if (!MD_SETJMP((_thread)->context)) { \
_st_vp_schedule(); \
} \
ST_DEBUG_ITERATE_THREADS(); \
ST_SWITCH_IN_CB(_thread);  \
ST_END_MACRO

这个函数其实就是一个完成的线程切换了。在st里线程的切换会使用MD_SETJMP->_st_vp_schedule->MD_LONGJMP。MD_SETJMP和MD_LONGJMP其实就是st使用汇编自己写的setjmp和longjmp函数(glibc),效果也是几乎等效的。(因为st本身会做平台适配,所以我们以x86-64的汇编为例)

#elif defined(__amd64__) || defined(__x86_64__)
/*
* Internal __jmp_buf layout
*/
#define JB_RBX 0
#define JB_RBP 1
#define JB_R12 2
#define JB_R13 3
#define JB_R14 4
#define JB_R15 5
#define JB_RSP 6
#define JB_PC 7
 .file "md.S"
.text
 /* _st_md_cxt_save(__jmp_buf env) */
.globl _st_md_cxt_save
.type _st_md_cxt_save, @function
.align 16
_st_md_cxt_save:
/*
* Save registers.
*/
movq %rbx, (JB_RBX*8)(%rdi)
movq %rbp, (JB_RBP*8)(%rdi)
movq %r12, (JB_R12*8)(%rdi)
movq %r13, (JB_R13*8)(%rdi)
movq %r14, (JB_R14*8)(%rdi)
movq %r15, (JB_R15*8)(%rdi)
/* Save SP */
leaq 8(%rsp), %rdx
movq %rdx, (JB_RSP*8)(%rdi)
/* Save PC we are returning to */
movq (%rsp), %rax
movq %rax, (JB_PC*8)(%rdi)
xorq %rax, %rax
ret
.size _st_md_cxt_save, .-_st_md_cxt_save
 
/****************************************************************/
 /* _st_md_cxt_restore(__jmp_buf env, int val) */
.globl _st_md_cxt_restore
.type _st_md_cxt_restore, @function
.align 16
_st_md_cxt_restore:
/*
* Restore registers.
*/
movq (JB_RBX*8)(%rdi), %rbx
movq (JB_RBP*8)(%rdi), %rbp
movq (JB_R12*8)(%rdi), %r12
movq (JB_R13*8)(%rdi), %r13
movq (JB_R14*8)(%rdi), %r14
movq (JB_R15*8)(%rdi), %r15
/* Set return value */
test %esi, %esi
mov $01, %eax
cmove %eax, %esi
mov %esi, %eax
movq (JB_PC*8)(%rdi), %rdx
movq (JB_RSP*8)(%rdi), %rsp
/* Jump to saved PC */
jmpq *%rdx
.size _st_md_cxt_restore, .-_st_md_cxt_restore
/****************************************************************/

MD_SETJMP的时候,会使用汇编把所有寄存器的信息保留下来,而MD_LONGJMP则会把所有的寄存器信息重新加载出来。两者配合使用的时候,可以完成一次函数间的跳转。

那么我们已经看到了MD_SETJMP的调用,MD_LONGJMP调用在哪儿呢?

让我们继续看下去,在最一开始,我们就提及过_st_vp_schedule()这个核心函数。

void _st_vp_schedule(void)
{
_st_thread_t *thread;
 if (_ST_RUNQ.next != &_ST_RUNQ) {
/* Pull thread off of the run queue */
thread = _ST_THREAD_PTR(_ST_RUNQ.next);
_ST_DEL_RUNQ(thread);
} else {
/* If there are no threads to run, switch to the idle thread */
thread = _st_this_vp.idle_thread;
}
ST_ASSERT(thread->state == _ST_ST_RUNNABLE);
 /* Resume the thread */
thread->state = _ST_ST_RUNNING;
_ST_RESTORE_CONTEXT(thread);
}

这个函数其实非常简单,基本工作原理可以认为是执行以下几步: 1.查看当前RUNQ是否有可以调用的,如果有,则RUNQ pop一个thread。 2. 如果没有,则运行idle_thread。 3. 调用_ST_RESTORE_CONTEXT。

那么_ST_RESTORE_CONTEXT做了什么呢?

#define _ST_RESTORE_CONTEXT(_thread) \
ST_BEGIN_MACRO \
_ST_SET_CURRENT_THREAD(_thread); \
MD_LONGJMP((_thread)->context, 1); \
ST_END_MACRO

简单来说,_ST_RESTORE_CONTEXT就是调用了我们之前所没有看到的MD_LONGJMP。

所以,我们可以简单地认为,在携程需要schedule的时候,会先把自身当前的栈通过MD_SETJMP保存起来,当线程被schedule再次调度出来的时候,则会使用MD_SETJMP来还原栈,完成一次协程切换。

然后我们来看看idle_thread做了什么。

虽然这个协程名字叫做idle,但是其实做了很多的事情。

void *_st_idle_thread_start(void *arg)
{
_st_thread_t *me = _ST_CURRENT_THREAD();
 while (_st_active_count > 0) {
/* Idle vp till I/O is ready or the smallest timeout expired */
_ST_VP_IDLE();
 /* Check sleep queue for expired threads */
_st_vp_check_clock();
 me->state = _ST_ST_RUNNABLE;
_ST_SWITCH_CONTEXT(me);
}
 /* No more threads */
exit(0);
 /* NOTREACHED */
return NULL;
}

总的来说,idle_thread做了两件事情。1. _ST_VP_IDLE() 2. _st_vp_check_clock()。_st_vp_check_clock很好理解,就是检查定时器是否超时,如果超时了,则设置超时标记之后,放回RUNQ。而_ST_VP_IDLE,其实就是查看io是否已经ready了。例如linux的话,则会调用epoll_wait(_st_epoll_data->epfd, _st_epoll_data->evtlist,

_st_epoll_data->evtlist_size, timeout)去查看是否有可响应的io。timeout值会根据当前空闲情况进行变化,通常来说会是一个极小的值。

那么看到这里,整体的线程调度已经全部走完了。(详见前面最一开始的流程图)总体流程总结来说基本上是func() -> st_xxxx() -> AddQ -> MD_SETJMP -> schedule() -> MD_LONG -> func()。

所以对于st而言,所以的调度,是基于用户调用。那么如果用户一直不调用st_xxx()(例如计算密集性服务),st也就无法进行协程切换,那么其他协程也就产生极大的阻塞了。这也是为什么st并不太合适计算密集型的原因(其实单线程框架大多都不合适计算密集型)。


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