【Muduo】三大核心之Poller、EPollPoller

news2024/9/21 14:56:47

Poller

在Muduo中，Poller负责基于IO多路复用机制进行IO事件监听和处理的组件，作为EPollPoller的基类，为后者提供了与PollPoller统一的IO复用接口，并且声明了一个关键的创建派生类的成员函数：

static Poller *newDefaultPoller(EventLoop *loop);

此函数可以通过判断 ` ::getenv("MUDUO_USE_POLL") ` 来决定返回一个PollPoller还是EPollPoller，解耦 PollPoller 和 EPollPoller。由于newDefaultPoller成员函数在定义的时候需要派生类EPollPoller已经实现，故不可以将其定义直接写在Poller.cc中，而是另起了一个文件DefaultPoller.cc

Poller.h

#pragma once
#include "noncopyable.h"
#include "Timestamp.h"
#include <vector>
#include <unordered_map>

class Channel;
class EventLoop;

// muduo库中，多路事件分发器的核心IO复用模块
class Poller : noncopyable
{
public:
    using ChannelList = std::vector<Channel *>;

    Poller(EventLoop *loop);
    virtual ~Poller();

    /// Polls the I/O events.
    /// Must be called in the loop thread.
    /// 给所有IO复用保留统一的接口
    virtual Timestamp poll(int timeoutMs, ChannelList *activeChannels) = 0;

    /// Changes the interested I/O events.
    /// Must be called in the loop thread.
    virtual void updateChannel(Channel *channel) = 0;

    /// Remove the channel, when it destructs.
    /// Must be called in the loop thread.
    virtual void removeChannel(Channel *channel) = 0;

    // 判断是否在当前poller中
    virtual bool hasChannel(Channel *channel) const;

    // EventLoop可以通过该接口获取默认的IO复用的具体实现
    static Poller *newDefaultPoller(EventLoop *loop); // 返回Poller对象，不能直接在Poller.cc中实现

    void assertInLoopThread() const
    {
        // ownerLoop_->assertInLoopThread();
    }

protected:
    // channel->fd() : Channel
    using ChannelMap = std::unordered_map<int, Channel*>;
    ChannelMap channels_;

private:
    EventLoop *ownerLoop_;
};

 Poller.cc

#include "Poller.h"
#include "Channel.h"

Poller::Poller(EventLoop* loop)
  : ownerLoop_(loop)
{
}

Poller::~Poller() = default;

bool Poller::hasChannel(Channel* channel) const
{
  auto it = channels_.find(channel->fd());
  return it != channels_.end() && it->second == channel;
}

DefaultPoller.cc

#include "Poller.h"
#include "EPollPoller.h"
#include <stdlib.h>

// 解耦 PollPoller 和 EPollPoller
Poller* Poller::newDefaultPoller(EventLoop *loop)
{
    if (::getenv("MUDUO_USE_POLL"))
    {
        // return new PollPoller(loop);
    }
    else
    {
        return new EPollPoller(loop);
    }
    return nullptr; 
}

EPollPoller

Muduo网络库的EPollPoller模块继承了Poller，是负责基于Linux epoll机制进行IO事件监听和处理的组件，封装了一系列函数用于调用底层的Linux系统调用。在Muduo中，EPollPoller与EventLoop和Channel类一起构成了事件驱动网络编程的基础框架。下面我将详细介绍EPollPoller模块的主要功能和特点。

主要功能

  1. 事件监听：EPollPoller模块使用Linux的epoll机制来监听一组文件描述符（通常是网络连接）上的IO事件。这些事件包括可读、可写、异常等。
  2. 事件注册与注销：通过EPollPoller的接口，用户可以将感兴趣的文件描述符及其相关事件注册到epoll中，以便监听这些事件。当不再需要监听某个文件描述符时，也可以将其从epoll中注销。
  3. 事件分发：当epoll监听到某个文件描述符上有事件发生时，EPollPoller会将这些事件分发到对应的Channel对象上。每个Channel对象都封装了一个文件描述符及其相关的事件处理逻辑。
  4. 高效性：EPollPoller利用了epoll机制的高效性，能够同时监听大量的文件描述符，并且在有事件发生时只返回有事件发生的文件描述符集合，避免了轮询所有文件描述符的开销。

实现原理

  1. 创建epoll实例：在初始化时，EPollPoller会epoll_create1函数来创建一个epoll实例，并获取一个文件描述符用于后续操作。
  2. 注册事件：使用epoll_ctl函数将需要监听的文件描述符及其关注的事件类型注册到epoll实例中。可以添加新的文件描述符、修改已注册的文件描述符的事件类型或删除已注册的文件描述符。
  3. 进入事件循环：使用epoll_wait函数在epoll实例上进行阻塞等待，直到有事件发生。当有事件发生时，epoll_wait会返回发生事件的文件描述符集合及其对应的事件类型。
  4. 事件分发：EPollPoller根据epoll_wait返回的文件描述符集合和事件类型，通过在epoll_event的data.ptr字段预先设置Channel对象的地址，从而能够找到对应的Channel对象，并调用其上的回调函数来处理事件。 
    struct epoll_event
{
  uint32_t events;	/* Epoll events */
  epoll_data_t data;	/* User data variable */
} __EPOLL_PACKED;

与其他组件的关系

在Muduo网络库中，EPollPoller与EventLoop和Channel类紧密合作，共同实现了事件驱动的网络编程框架。EventLoop负责驱动整个事件循环，定时检查EPollPoller是否有事件发生，并调用相应的处理逻辑。Channel类则是对文件描述符及其相关事件的封装，它包含了与文件描述符相关的事件处理逻辑和回调函数。

通过这三个组件的协同工作，Muduo网络库能够高效、灵活地处理大量的网络连接和IO事件，为构建高性能的网络服务器提供了坚实的基础。

 EPollPoller.h

#include "Poller.h"
#include <sys/epoll.h>

/*
epoll的使用
epoll_create 创建fd
epoll_ctl  add/mod/del
epoll_wait
*/

class Channel;

class EPollPoller : public Poller
{
public:
    EPollPoller(EventLoop *loop);
    ~EPollPoller() override; // override 表示由编译器确保父类的同名函数是虚函数

    // 重写基类的抽象方法
    Timestamp poll(int timeoutMs, ChannelList *activeChannels) override;
    void updateChannel(Channel *channel) override;
    void removeChannel(Channel *channel) override;

private:
    static const int kInitEventListSize = 16; // EventList初始长度

    // 填写活跃的连接
    void fillActiveChannels(int numEvents, ChannelList *activeChannels) const;

    // 更新channel通道
    void update(int operation, Channel *channel);

    using EventList = std::vector<epoll_event>;

    int epollfd_;
    EventList events_;
};

EpollPoller.cc

#include "EventLoop.h"
#include "LogStream.h"
#include "Poller.h"
#include "Channel.h"

#include <sys/eventfd.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <iostream>

// 防止一个线程创建多个EventLoop    threadLocal
__thread EventLoop *t_loopInThisThread = nullptr;

// 定义Poller超时时间
const int kPollTimeMs = 10000;

// 创建weakupfd，用来notify唤醒subReactor处理新来的channel
int createEventfd()
{
    int evtfd = ::eventfd(0, EFD_NONBLOCK | EFD_CLOEXEC);
    if (evtfd < 0)
    {
        LOG_FATAL << "Failed in eventfd" << errno;
    }
    return evtfd;
}

EventLoop::EventLoop()
    : looping_(false),
      quit_(false),
      callingPendingFunctors_(false),
      threadId_(CurrentThread::tid()),
      poller_(Poller::newDefaultPoller(this)),
      wakeupFd_(createEventfd()),
      wakeupChannel_(new Channel(this, wakeupFd_))
{
    LOG_DEBUG << "EventLoop created " << this << " in thread " << threadId_;
    if (t_loopInThisThread)
    {
        LOG_FATAL << "Another EventLoop " << t_loopInThisThread
                  << " exists in this thread " << threadId_;
    }
    else
    {
        t_loopInThisThread = this;
    }

    // 设置weakupfd的事件类型以及发生事件后的回调操作
    wakeupChannel_->setReadCallback(std::bind(&EventLoop::handleRead, this));
    // we are always reading the wakeupfd
    // 每一个EventLoop都将监听weakupChannel的EPOLLIN读事件了
    // 作用是subloop在阻塞时能够被mainLoop通过weakupfd唤醒
    wakeupChannel_->enableReading();
}

EventLoop::~EventLoop()
{
    LOG_DEBUG << "EventLoop " << this << " of thread " << threadId_
              << " destructs in thread " << CurrentThread::tid();
    wakeupChannel_->disableAll();
    wakeupChannel_->remove();
    ::close(wakeupFd_);
    t_loopInThisThread = NULL;
}

void EventLoop::handleRead()
{
    uint64_t one = 1;
    ssize_t n = read(wakeupFd_, &one, sizeof one);
    if (n != sizeof one)
    {
        LOG_ERROR << "EventLoop::handleRead() reads " << n << " bytes instead of 8";
    }
}

void EventLoop::loop()
{
    looping_ = true;
    quit_ = false;
    LOG_INFO << "EventLoop " << this << " start looping";

    while (!quit_)
    {
        activeChannels_.clear();
        // 当前EventLoop的Poll，监听两类fd，client的fd（正常通信的，在baseloop中）和 weakupfd（mainLoop 和 subLoop 通信用来唤醒sub的）
        pollReturnTime_ = poller_->poll(kPollTimeMs, &activeChannels_);
        for (Channel *channel : activeChannels_)
        {
            // Poller监听哪些channel发生事件了，然后上报给EventLoop，通知channel处理相应的事件
            channel->handleEvent(pollReturnTime_);
        }
        // 执行当前EventLoop事件循环需要处理的回调操作
        /**
         * IO线程 mainLoop 只 accept 然后返回client通信用的fd <= 用channel打包 并分发给 subloop
         * mainLoop事先注册一个回调cb（需要subLoop来执行），weakup subloop后，
         * 执行下面的方法，执行之前mainLoop注册的cb操作（一个或多个）
         */
        doPendingFunctors();
    }

    LOG_INFO << "EventLoop " << this << " stop looping";
    looping_ = false;
}

/**
 * 退出事件循环
 * 1、loop在自己的线程中 调用quit，此时肯定没有阻塞在poll中
 * 2、在其他线程中调用quit，如在subloop（woker）中调用mainLoop（IO）的qiut
 *
 *                  mainLoop
 * 
 *      Muduo库没有 生产者-消费者线程安全的队列 存储Channel
 *      直接使用wakeupfd进行线程间的唤醒       
 *
 * subLoop1         subLoop2        subLoop3
 */
void EventLoop::quit()
{
    quit_ = true;
    // 2中，此时，若当前woker线程不等于mainLoop线程，将本线程在poll中唤醒
    if (!isInLoopThread())
    {
        wakeup();
    }
}

void EventLoop::runInLoop(Functor cb)
{
    // LOG_DEBUG<<"EventLoop::runInLoop  cb:" << (cb != 0);
    if (isInLoopThread()) // 产生段错误
    { // 在当前loop线程中 执行cb
        LOG_DEBUG << "在当前loop线程中 执行cb";
        cb();
    }
    else
    { // 在其他loop线程执行cb，需要唤醒其loop所在线程，执行cb
        LOG_DEBUG << "在其他loop线程执行cb，需要唤醒其loop所在线程，执行cb";
        queueInLoop(cb);
    }
}

void EventLoop::queueInLoop(Functor cb)
{
    {
        std::unique_lock<std::mutex> ulock(mutex_);
        pendingFunctors_.emplace_back(cb);
    }

    // 唤醒相应的，需要执行上面回调操作的loop线程
    // 若当前线程正在执行回调doPendingFunctors，但是又有了新的回调cb
    // 防止执行完回调后又阻塞在poll上无法执行新cb，所以预先wakeup写入一个数据
    if (!isInLoopThread() || callingPendingFunctors_) 
    {
        wakeup(); // 唤醒loop所在线程
    }
}

// 用来唤醒loop所在的线程，向wakeupfd写一个数据，wakeupChannel就发生读事件，当前loop线程就会被唤醒
void EventLoop::wakeup()
{
    uint64_t one = 1;
    ssize_t n = ::write(wakeupFd_, &one, sizeof one);
    if (n != sizeof one)
    {
        LOG_ERROR << "EventLoop::wakeup() writes " << n << " bytes instead of 8";
    }
}

void EventLoop::updateChannel(Channel *channel)
{
    // channel是发起方，通过loop调用poll
    poller_->updateChannel(channel);
}

void EventLoop::removeChannel(Channel *channel)
{
    // channel是发起方，通过loop调用poll
    poller_->removeChannel(channel);
}

bool EventLoop::hasChannel(Channel *channel)
{
    return poller_->hasChannel(channel);
}

// 执行回调，由TcpServer提供的回调函数
void EventLoop::doPendingFunctors()
{
    std::vector<Functor> functors;
    callingPendingFunctors_ = true; // 正在执行回调操作

    { // 使用swap，将原pendingFunctors_置空并且释放，其他线程不会因为pendingFunctors_阻塞
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        functors.swap(pendingFunctors_);
    }

    for (const Functor &functor : functors)
    {
        functor(); // 执行当前loop需要的回调操作
    }

    callingPendingFunctors_ = false;
}

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