memcache 多线程 并发模型

ling3

memcached，相信我们搞linux后端的农民工都知道！这里简单的分析一下memcached是如何处理大量并发的连接的。
如题，memcached是个单进程程序，单进程多线程的程序（linuxer可能会会心一笑，这不就是多进程嘛）。memcached底层是用的libevent来管理事件的，下面我们就来看看这个libevent的经典应用是如何运转的。其实一开始memcached是个正宗的单进程程序，其实使用了异步技术后基本能把cpu和网卡的性能发挥到极限了（这种情况下硬是多线程反而会使程序性能下降），只不过后来随着多核cpu的普及，为了榨光cpu的性能，引入多线程也是顺势而为。
memcached的源码结构非常简单，其中线程相关的代码基本都在Thread.c中。简单的说，memcached的众多线程就是个Master-Worker的模型，其中主线程负责接收连接，然后将连接分给各个worker线程，在各个worker线程中完成命令的接收，处理和返回结果。上个图：

OK，让我们从main函数开始，一步一步来。
main函数中，线程相关的代码基本就下面几行：
123456789101112131415161718192021222324case't':    //此处处理-t参数，设置线程数。    //注意下面的WARNING，线程数超过了cpu核的个数其实没有意义了，只会有负作用    settings.num_threads= atoi(optarg);    if(settings.num_threads <= 0) {        fprintf(stderr,&quot;Numberof threads must be greater than 0\n&quot;);        return1;    }    /*There're other problems when you get above 64 threads.        *In the future we should portably detect # of cores for the        *default.        */    if(settings.num_threads > 64) {        fprintf(stderr,&quot;WARNING:Setting a high number of worker&quot;                        &quot;threadsis not recommended.\n&quot;                        &quot;Set this value to the number of cores in&quot;                        &quot;your machine or less.\n&quot;);    }    break; //此处调用线程初始化函数，main_base是主线程的libevent句柄，//由于libevent不支持多线程共享句柄，所以每个线程都有一个libevent句柄/*start up worker threads if MT mode */thread_init(settings.num_threads,main_base);下面，进入线程的初始化环节，在看thread_init这个函数之前，先看几个结构体：
123456789101112131415161718//worker线程结构体typedefstruct {    pthread_tthread_id;        /*线程ID */    structevent_base *base;    /*此线程的libevent句柄 */    structevent notify_event;  /*通知事件，主线程通过这个事件通知worker线程有新连接 */    intnotify_receive_fd;      /*通知事件关联的读fd，这和下面的notify_send_fd是一对管道，具体使用后面讲 */    intnotify_send_fd;         /*通知事件关联的写fd，后面讲 */    structthread_stats stats;  /*线程相关统计相信 */    structconn_queue *new_conn_queue; /*由主线程分配过来还没来得及处理的连接（客户端）的队列 */    cache_t*suffix_cache;      /*suffix cache */}LIBEVENT_THREAD; //这是主线程的结构体，就比较简单了//这个结构体的实例只有一个全局的dispatcher_threadtypedefstruct {    pthread_tthread_id;        /*主线程ID */    structevent_base *base;    /*libevent句柄 */}LIBEVENT_DISPATCHER_THREAD;下面进入线程初始化函数：
123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960voidthread_init(intnthreads, structevent_base *main_base) {    int        i;     //先是初始化一堆锁     //这是主锁，用来同步key-value缓存的存取    pthread_mutex_init(&cache_lock,NULL);      //这是缓存状态锁，用来同步memcached的一些统计数据的存取    pthread_mutex_init(&stats_lock,NULL);     //这个锁是用来同步init_count（已初始化完的线程数）变量的存取    pthread_mutex_init(&init_lock,NULL);     //这是用来通知所有线程都初始化完成的条件变量    pthread_cond_init(&init_cond,NULL);     //这个锁是用来同步空闲连接链表的存取    pthread_mutex_init(&cqi_freelist_lock,NULL);    cqi_freelist= NULL;     //分配worker线程结构体内存    threads= calloc(nthreads,sizeof(LIBEVENT_THREAD));    if(! threads) {        perror(&quot;Can'tallocate thread descriptors&quot;);        exit(1);    }     //把主线程先设置好    dispatcher_thread.base= main_base;    dispatcher_thread.thread_id= pthread_self();     //设置所有worker线程与主线程之间的管道    for(i = 0; i < nthreads; i&#43;&#43;) {        intfds[2];        if(pipe(fds)) {            perror(&quot;Can'tcreate notify pipe&quot;);            exit(1);        }         threads.notify_receive_fd= fds[0];        threads.notify_send_fd= fds[1];         //这个函数进行worker线程的初始化工作        //比如libevent句柄，连接队列等的初始化        setup_thread(&threads);    }     //这里就是真正调用pthread_create创建线程的地方了    for(i = 0; i < nthreads; i&#43;&#43;) {        create_worker(worker_libevent,&threads);    }     //主线程等所有的worker线程都跑起来了之后再跑后面的代码（接受连接）    pthread_mutex_lock(&init_lock);    while(init_count < nthreads) {        pthread_cond_wait(&init_cond,&init_lock);    }    pthread_mutex_unlock(&init_lock);}好了，初始化完成，各个线程（包括主线程）都跑了起来，下面我们看看具体的连接是怎么处理的。
先看主线程，在thread_init返回（所有线程初始化完成）之后，main函数做了一些其他的初始化之后就调用了event_base_loop(main_base, 0);这个函数开始处理网络事件，接受连接了。在此之前，main函数在绑定监听端口的时候就已经把监听socket的事件加到了main_base中了（参看server_socket函数，不多说）。监听事件的回调函数是memcached中所有网络事件公用的回调函数event_handler，而这个event_handler也是基本什么都不干，直接又调用drive_machine，这个函数是由一个大大是switch组成的大状态机。这里就是memcached所有网络事件的处理中枢，我们来看看：
1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556staticvoid drive_machine(conn *c) {    boolstop = false;    intsfd, flags = 1;    socklen_taddrlen;    structsockaddr_storage addr;    intnreqs = settings.reqs_per_event;    intres;     while(!stop) {         switch(c->state){        //这个监听状态只有主线程的监听fd才会有，而主线程也就基本就这么一个状态        caseconn_listening:            //到这，说明有新连接来了            //accept新连接            addrlen= sizeof(addr);            if((sfd = accept(c->sfd, (structsockaddr *)&addr, &addrlen)) == -1) {                if(errno== EAGAIN || errno== EWOULDBLOCK) {                    /*these are transient, so don't log anything */                    stop= true;                }elseif (errno== EMFILE) {                    if(settings.verbose > 0)                        fprintf(stderr,&quot;Toomany open connections\n&quot;);                    accept_new_conns(false);                    stop= true;                }else{                    perror(&quot;accept()&quot;);                    stop= true;                }                break;            }             //设置套接字非阻塞            if((flags = fcntl(sfd, F_GETFL, 0)) < 0 ||                fcntl(sfd,F_SETFL, flags | O_NONBLOCK) < 0) {                perror(&quot;settingO_NONBLOCK&quot;);                close(sfd);                break;            }             //将新连接分给worker线程            dispatch_conn_new(sfd,conn_new_cmd, EV_READ | EV_PERSIST,                                     DATA_BUFFER_SIZE,tcp_transport);            stop= true;            break;             //下面是worker线程的一些事件，此处略        caseconn_waiting:            //...         caseconn_read:            //...    }     return;}接着看dispatch_conn_new这个函数：
12345678910111213141516171819202122232425262728voiddispatch_conn_new(intsfd, enumconn_states init_state, intevent_flags,                       intread_buffer_size, enumnetwork_transport transport) {    //分配一个连接队列item，此item将会由主线程塞到worker线程的连接队列中    CQ_ITEM*item = cqi_new();     //RR轮询得到这个连接的目标线程    inttid = (last_thread &#43; 1) % settings.num_threads;    LIBEVENT_THREAD*thread= threads &#43; tid;    last_thread= tid;     //初始化item    item->sfd= sfd;    item->init_state= init_state;    item->event_flags= event_flags;    item->read_buffer_size= read_buffer_size;    item->transport= transport;     //将item塞到worker线程的队列中    cq_push(thread->new_conn_queue,item);     MEMCACHED_CONN_DISPATCH(sfd,thread->thread_id);    //向worker线程的通知写fd中写一个字节，如此notify_receive_fd就会有一个字节可读    //这样worker线程的notify_event就会收到一个可读的事件    //memcached就是这样来达到线程间异步通知的目的，很tricky    if(write(thread->notify_send_fd,&quot;&quot;,1) != 1) {        perror(&quot;Writingto thread notify pipe&quot;);    }}好了，自此主线程处理连接的逻辑基本就没了，下面看看worker线程的相关代码。worker线程初始化完成后将notify_event的libevent事件的回调注册到了thread_libevent_process上，来看看：
1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435staticvoid thread_libevent_process(intfd, shortwhich, void*arg) {    LIBEVENT_THREAD*me = arg;    CQ_ITEM*item;    charbuf[1];     //将主线程写入的一个字节读掉，一个字节代表一个连接    if(read(fd, buf, 1) != 1)        if(settings.verbose > 0)            fprintf(stderr,&quot;Can'tread from libevent pipe\n&quot;);     //将主线程塞到队列中的连接pop出来    item= cq_pop(me->new_conn_queue);     if(NULL != item) {        //初始化新连接，注册事件监听，回调到前面提到的event_handler上        conn*c = conn_new(item->sfd, item->init_state, item->event_flags,                           item->read_buffer_size,item->transport, me->base);        if(c == NULL) {            if(IS_UDP(item->transport)) {                fprintf(stderr,&quot;Can'tlisten for events on UDP socket\n&quot;);                exit(1);            }else{                if(settings.verbose > 0) {                    fprintf(stderr,&quot;Can'tlisten for events on fd %d\n&quot;,                        item->sfd);                }                close(item->sfd);            }        }else{            c->thread= me;        }        //回收item        cqi_free(item);    }}好了，这样worker线程就多了一个连接了，后面worker线程就是不断的监听notify事件添加连接和客户端连接socket的网络IO事件处理业务了。
memcached的这套多线程libevent机制几乎成了高性能服务器的一本教材。linux后端农民工必读。