深入mongoDB（1）--mongod的线程模型与网络框架

　　最近工作需要开始研究mongoDB，我准备从其源代码角度，对于mongod和mongos服务的架构、sharding策略、 replicaset策略、数据同步容灾、索引等机制做一个本质性的了解。其代码约20万行（我研究的是 2.0.6版本源码），本篇先从mongod的 启动流程说起，它本是一个多线程程序，所以本文在于说明mongod有多少个线程，每个线程的意义所在。希望大家阅读本文时关注在mongod的外围框 架，暂不涉及数据文件的组织、索引B树的组织等，仅focus in在网络框架、线程模型上。
　　
　　弄清楚这点的好处很明显：之后就可以有的放矢的研究mongod某个模块究竟是如何实现的，可以快速的跳到相应的类中阅读源码，解决我们在产品中的实际问题。我认为这是研究其庞大源码一个好的开始。
　　
　　在说明mongod前，须了解mongoDB大量代码是基于boost库构建的，因此这里先行对boost库建立线程做个简单的了解。
　　
　　1、boost库如何建立线程
　　boost::thread是boost中跨平台的多线程库，mongoDB创建线程时大多数情况下是使用thread库的（少量情况直接调用pthread_create方法），主要使用了以下两种方式：
　　（1）直接运行让线程运行func
　　例如durThread线程：
　　void durThread() {
　　while( !inShutdown() ) { ... }
　　}
　　boost::thread t(durThread);
　　（2）在类中定义静态的run方法，调用thread创建线程
　　class FileAllocator : boost::noncopyable {
        static void run( FileAllocator * fa );
　　
　　void FileAllocator::start() {
             boost::thread t( boost::bind( &FileAllocator::run , this ) );
        }
    };
　　
　　2、mongod的入口
　　mongod的入口main函数在src/mongo/db/db.cpp文件中，我画了个简单的活动图简要介绍其启动流程：

　　如上图所示，这里出现了12个固定线程，还没有包括mongod运行以后处理请求时派生出来的线程，如下所示：
　　–      interruptThread
　　–      DataFileSync::run
　　–      FileAllocator::run
　　–      durThread
　　–      SnapshotThread::run
　　–      ClientCursorMonitor::run
　　–      PeriodicTask::Runner::run
　　–      TTLMonitor::run
　　–      replSlaveThread
　　–      replMasterThread
　　–      webServerThread
　　–      处理数据库请求的主线程
　　如果不属于任何replica set，那么至少有10个固定线程（去除 replSlaveThread和 replMasterThread）。
　　下面我们先讨论这10个固定的线程，再讨论性能非常弱的监听web事件的线程是怎样处理请求的，最后讨论性能稍好一点的主服务线程是怎样处理请求的。
　　
　　3、5个基于BackgroundJob类实现的工作线程
　　这5个线程分别是DataFileSync,SnapshotThread, ClientCursorMonitor, TTLMonitor, PeriodicTask，类图如下所示：

　　上面这5个类也是用boost::threadfunction方法创建线程运行的，它们继承了BackgroundJob类，使用go方法启动线程执行jobBody就是在启动线程执行run方法，如下所示：



[cpp] view plaincopy

• BackgroundJob& BackgroundJob::go() {  
  
•     boost::thread t( boost::bind( &BackgroundJob::jobBody , this, _status ) );  
  
•     return *this;  
  
• }  
  
•   
  
• void BackgroundJob::jobBody( boost::shared_ptr status ) {  
  
•     ...  
  
•     run();  
  
•     ...  
  
• }     
  

　　
这些线程的意义如下：
　　DataFileSync主要在调用MemoryMappedFile::flush方法将内存中的数据刷到磁盘上。 我们知道，mongodb是调用mmap把磁盘中的数据映射到内存中的，所以必须有一个机制时刻的刷数据到硬盘才能保证可靠性，多久刷一次是与syncdelay参数相关的。
　　SnapshotThread将生成快照文件帮助快速恢复。
　　ClientCursorMonitor将管理用户的游标，每4秒调用一次idleTimeReport()方法，每一分钟调用sayMemoryStatus()方法。
　　TTLMonitor管理TTL，通过调用doTTLForDB()方法检查所有db。
　　PeriodicTask将从动态数组std::vector _tasks中获取周期性任务执行。
　　
　　4、5个直接提供全局方法执行的线程

　　FileAllocator用于分配新文件，它决定分配文件的大小，例如用翻倍的方式。
　　interruptThread只处理信号量。
　　durThread做批量提交和回滚工作。
　　replSlaveThread是当前结点作为secondary时的同步线程。
　　replMasterThread是当前结点作为master时的同步线程。
　　
　　5、web监听线程
　　mongod是如何处理web请求的呢？它是通过网络框架中的核心类Listerner实现的，类图如下所示：

　　怎么理解这幅类图呢？
　　首先看 Listener类，它负责监听、创建新连接，其工作步骤如下：
　　a、创建socket句柄，绑定端口，监听
　　b、调用select检测新连接事件
　　c、对检测到的事件调用accept建立新连接
　　d、调用void Listener::acceptedMP(MessagingPort*mp)方法处理新连接，谁重新实现acceptedMP方法谁决定处理方式
　　
　　这个Listener类既用于处理web请求，也用于处理普通的数据库请求。
　　OK，现在我们看web请求是如何处理的。MiniWebServer类继承了Listener类，它重新实现了acceptedMP方法，开始接收TCP流，解析HTTP协议，同时还会负责组装HTTP响应包并发送TCP流到客户端。那么实际完成http请求的类是谁呢？它是继承了MiniWebServer类的DbWebServer类。这个类重新实现了doRequest方法，它会在完整接收到HTTP请求后被调用，HTTP请求的处理过程不在本篇的讨论范围内，这里略过。但我们清楚了，这个线程采用同步的阻塞的方式处理请求，它意味着它同一时刻只能处理一个web请求，并发能力超级弱，还好web请求只是mongod的副业，仅用于查询状态。
　　
　　6、主监听线程和数据请求的处理线程
　　处理数据库请求的是上图中的PortMessageServer 类，它运行在主线程中。
　　我们先看看PortMessageServer 类是如何实现acceptedMP方法的：



[cpp] view plaincopy

• virtual voidacceptedMP(MessagingPort * p) {  
  
•     if ( !connTicketHolder.tryAcquire() ) {  
  
•         sleepmillis(2); // otherwisewe'll hard loop  
  
•         return;  
  
•     }  
  
•      …  
  
•         int failed =pthread_create(&thread, &attrs, (void*(*)(void*)) &pms::threadRun,p);  
  
•         …  
  
• }  
  

　　
很清晰，它开启了一个线程独立的执行这个请求。虽然这种方式依然性能极差：大量的进程间上下文切换在等着我们，但总比web请求处理要好多了，而且mongod的并发能力本来就不是它的长项。
　　对于每个新连接，都会有类封装成对象，如下：

　　接下来pms::threadRun方法是在处理MessagingPort对象。
　　下面看看pms::threadRun方法中做了些什么：



[cpp] view plaincopy

• void threadRun( MessagingPort *inPort) {  
  
•     TicketHolderReleaserconnTicketReleaser( &connTicketHolder );  
  
•     Message m;  
  
•     try {  
  
•         LastError * le = newLastError();  
  
•         lastError.reset( le ); //lastError now has ownership  
  
•         handler->connected( p.get());  
  
•         while ( ! inShutdown() ) {  
  
•             if ( ! p->recv(m) ) {  
  
•                 p->shutdown();  
  
•                 break;  
  
•             }  
  
•             handler->process( m ,p.get() , le );  
  
•         }  
  
•     }  
  
•     handler->disconnected( p.get());  
  
• }  
  

　　
可以看到，它会在这个连接上接收完整的请求，之后会调用handler的process方法。这个handler又是什么呢？如下图所示：

　　所以，普通的数据库请求是由MyMessageHandler的process方法处理的。这个方法里也只是个封装，真正处理业务的是全局方法assembleResponse。
　　assembleResponse方法中会按照8种操作方式分别的调用DataFileMgr中的方法处理实际文件，例如：



[cpp] view plaincopy

• enum Operations {  
  
•     opReply = 1,     /* reply. responseTo is set. */  
  
•     dbMsg = 1000,    /* generic msg command followed by a string */  
  
•     dbUpdate = 2001, /* update object */  
  
•     dbInsert = 2002,  
  
•     //dbGetByOID = 2003,  
  
•     dbQuery = 2004,  
  
•     dbGetMore = 2005,  
  
•     dbDelete = 2006,  
  
•     dbKillCursors = 2007  
  
• };  
  

　　
在方法中有类似这样的代码在调用实际的业务类处理操作：



[cpp] view plaincopy

• else if ( op == dbInsert ) {  
  
•     receivedInsert(m, currentOp);  
  
• }  
  
• else if ( op == dbUpdate ) {  
  
•     receivedUpdate(m, currentOp);  
  
• }  
  
• else if ( op == dbDelete ) {  
  
•     receivedDelete(m, currentOp);  
  
• }  
  

　　
当然本篇志不在此，下篇我们再讨论索引和数据文件的操作。