2.7 协程设计原理

news2024/11/15 6:42:56

目录

  • 一、为什么要有协程?
  • 二、协程的原语操作
    • 1、基本操作
    • 2、让出(yield)和恢复(resume)
  • 三、协程的切换(switch)
    • 1、汇编
    • 2、ucontext
    • 3、longjmp / setjmp
  • 四、协程结构的定义
  • 五、协程调度器结构的定义
  • 六、调度策略
  • 七、如何与posix api 兼容
  • 八、协程多核模式


一、为什么要有协程?

以DNS请求为例子,客户端向服务器发送域名,服务器回复该域名对应得IP地址。
在这里插入图片描述
在Linux下,常使用IO多路复用器epoll来管理客户端连接,其主循环框架如下

while (1){
    int nready = epoll_wait(epfd, events, EVENT_SIZE, -1);

    int i=0;
    for (i=0; i<nready; i++){

        int sockfd = events[i].data.fd;
        if (sockfd == listenfd){

            int connfd = accept(listenfd, addr, &addr_len);
            
            setnonblock(connfd); //置为非阻塞

            ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
            ev.data.fd = connfd;
            epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev);
        }else{
            handel(sockfd); //进行读写操作
        }
    }

}

对于handel(sockfd)有两种处理方式:同步以及异步。

同步
handle(sockfd)函数内部对 sockfd 进行读写动作,并且handle 的 io 操作(send,recv)与 epoll_wait 是在同一个处理流程里面的,即IO 同步操作。

int handle(int sockfd) {
recv(sockfd, rbuffer, length, 0);
parser_proto(rbuffer, length);
send(sockfd, sbuffer, length, 0);
}

异步
handle(sockfd)函数内部将 sockfd 的操作,push 到线程池中。handle函数是将 sockfd 处理方式放到另一个已经其他的线程中运行,如此做法,将 io 操作(recv,send)与 epoll_wait 不在一个处理流程里面,使得 io操作(recv,send)与 epoll_wait 实现解耦,即 IO 异步操作。

int thread_cb(int sockfd) {
// 此函数是在线程池创建的线程中运行。
// 与 handle 不在一个线程上下文中运行
recv(sockfd, rbuffer, length, 0);
parser_proto(rbuffer, length);
send(sockfd, sbuffer, length, 0);
}
int handle(int sockfd) {
//此函数在主线程 main_thread 中运行
push_thread(sockfd, thread_cb); //将 sockfd 放到其他线程中运行。
}

对比
在这里插入图片描述
这样子,自然希望有一种方法,能有同步的代码逻辑,异步的性能,来方便编程人员对 IO 操作的。这就是一种轻量级的协程,在每次 send 或者 recv 之前进行切换,再由调度器来处理 epoll_wait 的流程。

二、协程的原语操作

协程的实现原理是在单个线程中创建多个协程,并通过“切换”的方式来实现协程之间的调度。协程之间的切换是由程序自己控制的,比线程切换更加快速和高效。协程通常不会阻塞整个线程,而只会阻塞当前的协程,因此可以大幅度降低线程的切换开销,提高程序的执行效率。

1、基本操作

协程包括三大部分:协程的创建、协程的调度器、协程的切换。

创建协程之后,将协程加入调度器,由调度器统一管理,决定执行顺序。
在遇到IO操作之前,协程让出(yield)执行权,交由调度器决定下一个恢复(resume)加载执行的协程。执行完成(或者未就绪)之后,协程再次让出(yield)执行权交给调度器。
在这里插入图片描述

整体感觉便是调度器将时间划分成不同的时间片,每个时间片交由不同协程完成具体操作。当操作完成或没有操作时,运行权移交给调度器控制。

因此,协程的核心原语操作有:创建(create)、让出(yield)、恢复(resume)
create:创建协程。
yield:由当前协程的上下文切换到调度器的上下文。
resume:由调度器获取下一个将要执行的协程的上下文,恢复协程的运行权。

2、让出(yield)和恢复(resume)

async_Recv(fd, buffer, length) {

	ret = poll(fd); //判断fd是否就绪

	//若未就绪,重新加入到epoll,并切换到下一个协程
	if (ret == notReady) {

		epoll_ctl(add);
		yield (next_fd);  //resume
	}
	else {
		recv;
	}

}

async_Send(fd, buffer, length) {

	ret = poll(fd); //判断fd是否就绪

	//若未就绪,重新加入到epoll,并切换到下一个协程
	if (ret == notReady) {

		epoll_ctl(add);
		yield(next_fd); //resume
	}
	else {
		send;
	}

}

while (1) {
	epool_wait();

	for () {
		async_Recv(fd, buffer, length);
		parse(buffer);  //解析
		async_Send(fd, buffer, length);
	}
}

三、协程的切换(switch)

协程的切换有三种方式:
1、汇编
2、ucontext
3、longjmp / setjmp

1、汇编

x86_64 的寄存器有 16 个 64 位寄存器,分别是:%rax, %rbx, %rcx, %esi, %edi, %rbp, %rsp, %r8, %r9, %r10, %r11, %r12,%r13, %r14, %r15。
%rax:存储函数的返回值;
%rdi,%rsi,%rdx,%rcx,%r8,%r9:函数的六个参数,依次对应第 1 参数,第 2 参数。如果函数的参数超过六个,那么六个以后的参数会入栈。
%rbp:栈指针寄存器,指向栈底;
%rsp:栈指针寄存器,指向栈顶。
其余的用作数据存储。

上下文切换,就是将CPU的寄存器暂存,再将即将运行的协程的上下文寄存器分别mov到相应的寄存器上。

切换_switch 函数定义:
int _switch(nty_cpu_ctx *new_ctx, nty_cpu_ctx *cur_ctx);
参数 1:即将运行协程的上下文
参数 2:正在运行协程的上下文
按照 x86_64 的寄存器定义,%rdi 保存第一个参数的值,即 new_ctx 的值,%rsi 保存第二
个参数的值,即保存 cur_ctx 的值。

__asm__ (
"    .text                                  \n"
"       .p2align 4,,15                                   \n"
".globl _switch                                          \n"
".globl __switch                                         \n"
"_switch:                                                \n"
"__switch:                                               \n"
"       movq %rsp, 0(%rsi)      # save stack_pointer     \n"
"       movq %rbp, 8(%rsi)      # save frame_pointer     \n"
"       movq (%rsp), %rax       # save insn_pointer      \n"
"       movq %rax, 16(%rsi)                              \n"
"       movq %rbx, 24(%rsi)     # save rbx,r12-r15       \n"
"       movq %r12, 32(%rsi)                              \n"
"       movq %r13, 40(%rsi)                              \n"
"       movq %r14, 48(%rsi)                              \n"
"       movq %r15, 56(%rsi)                              \n"
"       movq 56(%rdi), %r15                              \n"
"       movq 48(%rdi), %r14                              \n"
"       movq 40(%rdi), %r13     # restore rbx,r12-r15    \n"
"       movq 32(%rdi), %r12                              \n"
"       movq 24(%rdi), %rbx                              \n"
"       movq 8(%rdi), %rbp      # restore frame_pointer  \n"
"       movq 0(%rdi), %rsp      # restore stack_pointer  \n"
"       movq 16(%rdi), %rax     # restore insn_pointer   \n"
"       movq %rax, (%rsp)                                \n"
"       ret                                              \n"
);

2、ucontext

getcontext、makecontext、swapcontext是一组操作上下文(context)的函数,一般用于在用户层级(user space)线程中实现协程(coroutine)。

(1)getcontext(ucontext_t *ucp):该函数会获取当前线程的上下文,并将其保存到ucontext_t类型的结构体指针ucp中,以便后续使用。
(2)makecontext(ucontext_t *ucp, void (*func)(), int argc, ...):创建一个新的执行上下文,并将其与func函数关联,argc表示func函数的参数个数,后面的省略号表示具体的函数参数。通常情况下,我们需要先调用getcontext获取当前线程的上下文,然后再通过makecontext创建一个新的上下文,该上下文可以通过swapcontext函数来激活,并开始执行func函数。
(3)swapcontext(ucontext_t *oucp, const ucontext_t *ucp):用于切换两个不同上下文之间的控制流。oucp和ucp分别表示当前和目标上下文。当调用该函数时,程序会保存当前上下文并开始执行ucp所指定的上下文。

// getcontext(&context);

// makecontext(&context, func, arg);

// swapcontext(&curent_context, &next_context);


#include <stdio.h>
#include <ucontext.h>


ucontext_t ctx[2];
ucontext_t main_ctx;

int count = 0;

void fun1(){

    while (count++ < 50){
        printf("1");
        swapcontext(&ctx[0],&ctx[1]);
        printf("3");
    }
}

void fun2(){

    while (count++ < 50){
        printf("2");
        swapcontext(&ctx[1],&ctx[0]);
        printf("4");
    }

}

int main(){

    char stack1[2048] = {0};
    char stack2[2048] = {0};

    getcontext(&ctx[0]);

    //将用户上下文ctx[1]的栈空间(stack)指针指向了一个已预先分配的内存块stack1
    ctx[0].uc_stack.ss_sp = stack1;

    //将栈空间的大小设置为stack1的大小,也就是在此处分配的内存块大小。
    ctx[0].uc_stack.ss_size = sizeof(stack1);

    //将链接指针(link pointer)设置为main_ctx,也就是当执行完当前上下文时,
    //程序将会切换回main_ctx所指定的上下文。链接指针用于实现协程(coroutine)之间的切换。
    ctx[0].uc_link = &main_ctx;

    makecontext(&ctx[0], fun1 ,0);


    getcontext(&ctx[1]);
    ctx[1].uc_stack.ss_sp = stack1;
    ctx[1].uc_stack.ss_size = sizeof(stack1);
    ctx[1].uc_link = &main_ctx;
    makecontext(&ctx[1], fun2 ,0);

    printf("swapcontext\n");

    swapcontext(&main_ctx, &ctx[0]);

    printf("\n");

}

结果是

123142314231423142314231423142314231423142314231423142314231423142314231423142314231423142314231423

执行顺序是:
在这里插入图片描述

p19 -> p20 -> p21 -> p28 -> p29 -> p30 -> p21 -> p22 -> p19 -> p20 -> p21 -> p30 -> p31 -> p28 -> p29 -> p30 -> p21 -> p22 -> p19 -> p20 -> p21 -> p30 -> p31 -> ……

3、longjmp / setjmp

setjmp 和 longjmp 是两个用于非局部跳转(non-local jump)的 C 语言库函数。

(1)int setjmp(jmp_buf env);:保存当前程序上下文信息到env,并返回0;
(2)void longjmp(jmp_buf env, int val);:直接跳转到该跳转点env的位置,并且恢复该跳转点env的状态。还可以传递一个整数值val,用于作为 setjmp 函数的返回值。



#include <stdio.h>
#include <setjmp.h>

jmp_buf env;

void func(int arg){

    printf("func\n");
    longjmp(env, ++arg);

    printf("longjmp complete\n"); //由于longjmp是非局部跳转操作,所以之前在func函数中的printf语句不会被执行。

}

int main(){

    int ret = setjmp(env);

    if (ret == 0){

        printf("ret == 0\n");

        func(ret);
    }else if (ret == 1){

        printf("ret == 1\n");

        func(ret);
    }

    printf("ret:%d\n",ret);
}

执行结果是

ret == 0
func
ret == 1
func
ret:2

执行顺序
1、在main函数中使用setjmp函数保存当前程序状态。
2、在main函数中判断setjmp返回值ret,如果为0,则说明是第一次调用,执行func函数并将ret作为参数传递;否则,说明是通过longjmp跳转回来的,继续执行func函数。
3、在func函数中,先输出"func",然后通过longjmp跳转回到setjmp处,并将arg+1作为返回值。由于longjmp是非局部跳转操作,所以之前在func函数中的printf语句不会被执行。
4、最终,在main函数结束时输出ret的值

四、协程结构的定义

//协程的状态
typedef enum _co_status {
	CO_NEW,		 //新建
	CO_READY,	// 就绪
	CO_WAIT,	//等待
	CO_SLEEP,	//睡眠
	CO_EXIT,	//退出
} co_status_t;

struct coroutine {
	int birth; //协程创建的时间
	int coid; //协程的id

	struct context ctx; //上下文信息

	struct scheduler* sched; //调度器

	void* (*entry)(void*); //回调函数入口
	void *arg; //回调函数的参数

	void* stack; //独立栈(每个协程有自己的虚拟内存空间) 或 共享栈  
	size_t size; //栈的大小

	co_status_t status; //协程的状态

	queue_node(coroutine) readyq;
	rbtree_node(coroutine) sleept;
	rbtree_node(coroutine) waitt;
	queue__node(coroutine) exitq;
};

五、协程调度器结构的定义

struct scheduler {

	struct coroutine* cur_co; //当前运行的协程

	queue_head(coroutine) readyh;
	rbtree_root(coroutine) sleepr;
	rbtree_root(coroutine) waitr;
	queue_head(coroutine) exith;

};

六、调度策略

调度策略:
1、IO密集型(更多强调IO等待)-- > 把wait放在最前面,把sleep放在最后面
2、计算密集型(更多强调计算结果) --> 把ready放在最前面

schedule(struct schedule* sched) {
	coroutine* co = NULL;
	while ((co = get_expired_node(sched->sleepr)) != NULL) {
		resume(co); 
	}

	while ((co = get_wait_node(sched->waitq)) != NULL) {
		push_ready_queue(co); 
	}

	whike((co = get_next_node(sched->readyq)) != NULL) {
		resume(co);
	}

	whike((co = get_next_node(sched->exitq)) != NULL) {
		destroy(co);
	}

}

七、如何与posix api 兼容

利用hook技术,可以在实现协程的时候与本系统的API实现兼容。
主要函数是dlsym函数

dlsym函数是一个动态链接库函数,它的作用是在动态链接库中查找指定的符号,并返回符号对应的地址。
void *dlsym(void *handle, const char *symbol);

举个例子,连接mysql的时候,我们通过使用hook技术,使得实际执行的connect、recv、send是经过我们重定义后的。

zxm@ubuntu:~/share/opp$ gcc -o mysql mysql.c -lmysqlclient -ldl
zxm@ubuntu:~/share/opp$ ./mysql 
connect
recv
send
mysql_real_connect success
#define _GNU_SOURCE
#include <dlfcn.h>


#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>   
#include <sys/socket.h>

#include <mysql/mysql.h>

#define __INIT_HOOK__ init_hook();
#define MING_DB_IP           "192.168.42.128"
#define MING_DB_PORT         3306
#define MING_DB_USENAME      "admin"
#define MING_DB_PASSWORD     "123456"
#define MING_DB_DEFAULTDB    "MING_DB"


typedef int (*connect_t)(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);
connect_t connect_f = NULL;

typedef ssize_t (*recv_t)(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
recv_t recv_f = NULL;

typedef ssize_t (*send_t)(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
send_t send_f = NULL;

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen){
    printf("connect\n");
    return connect_f(sockfd, addr, addrlen);
}

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags){
    printf("recv\n");
    return recv_f(sockfd,buf, len, flags );
}

ssize_t send(int sockfd,const void *buf, size_t len, int flags){
    printf("send\n");
    return send_f(sockfd ,buf, len, flags );
}


void init_hook(void){

    if (!connect_f){
        connect_f = dlsym(RTLD_NEXT,"connect");
    }

    if (!recv_f){
        recv_f = dlsym(RTLD_NEXT,"recv");
    }

    if (!send_f){
        send_f = dlsym(RTLD_NEXT,"send");
    }
    
}

int main () {

    __INIT_HOOK__;

    MYSQL *mysql = mysql_init(NULL); // 初始化MYSQL结构体,返回一个指向MYSQL结构体的指针

    if (!mysql){
        printf("musql_init failed\n");
        return 0;
    }

    if (!mysql_real_connect(mysql,MING_DB_IP,MING_DB_USENAME,MING_DB_PASSWORD,MING_DB_DEFAULTDB,
    MING_DB_PORT,NULL,CLIENT_FOUND_ROWS)){
        printf("mysql_real_connect failed\n");
        return 0;
    }

    printf("mysql_real_connect success\n");
}

八、协程多核模式

可将某个计算与某个cpu绑定黏合在一起,有利于计算密集型。
比如对于多进程/多线程与多核的黏合,可以为每个进程或者线程,分配一个调度器。

//线程绑定
Thread 3 is running on cpu 
Thread 2 is running on cpu 
Thread 1 is running on cpu 
Thread 0 is running on cpu 

//进程绑定
Process 31690 is running on cpu
Process 31691 is running on cpu
Process 31692 is running on cpu
Process 31693 is running on cpu
#define _GNU_SOURCE

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <sched.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/syscall.h>

#define     THREAD_COUNT  2

void *thread_func(void *arg){

    int threadid = *(int *)arg;

    printf("Thread %d is running on cpu \n",threadid);

    while (1);
}


int process_bind(void) {

	int num = sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF); // //返回当前系统中可用的CPU核心数量

	pid_t self_id = syscall(__NR_gettid);

	cpu_set_t mask;

	CPU_ZERO(&mask);
	CPU_SET(self_id % num, &mask);

	sched_setaffinity(0, sizeof(mask), &mask);

	printf("Process %d is running on cpu\n", self_id);

	while (1) ;

}


int main(){

#if 0  // 线程绑定
    pthread_t threads[THREAD_COUNT];
    int threadid[THREAD_COUNT];

    //定义了一个 cpu_set_t 类型的变量 cpus,它是一个位图,每一位代表一个 CPU 核心
    cpu_set_t cpus;
    //通过调用 CPU_ZERO(&cpus) 函数将其清零。
    CPU_ZERO(&cpus);

    int i=0;
    for (i=0; i< THREAD_COUNT; i++){
        //将下标 i 对应的 CPU 核心编号添加到 cpus 变量中
        CPU_SET(i,&cpus);
    }

    for (i=0;i< THREAD_COUNT; i++){
        threadid[i] = i;
        pthread_create(&threads[i], NULL , thread_func, &threadid[i]);

        // 将第 i 个线程绑定到第 i 个 CPU 上
        pthread_setaffinity_np (threads[i], sizeof(cpu_set_t), &cpus);
    }

    for (i=0; i< THREAD_COUNT; i++){
        pthread_join (threads[i],NULL);
    }
#else  //进程绑定
    fork();
    fork();
    process_bind();


#endif
    return 0;

}

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在这里插入图片描述

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作为一名测试工程师&#xff0c;那么Postman绝对是大伙必备的工具之一。 在这个系列教程中&#xff0c;我将为大伙详细讲解如何使用Postman进行API测试。 今天我带大伙实战一番postman如何请求参数化 &#xff0c;让你们快速上手这款工具。 请求参数化 数据参数化是Postman…

Kivy系列(一)—— Kivy buildozer的Docker镜像制作

接触Kivy是奔着使用python便捷又是跨平台工具去的&#xff0c;如此一套代码可以发布为各类平台的成果。但是由于网络环境限制&#xff0c;以及kivy工具链上各类工具的频繁迭代&#xff0c;即使按照github上的kivy buildozer官方文档&#xff0c;也很难打包成功&#xff0c;kivy…

调试笔记-stm32的OTA/IAP 通过485升级固件

背景&#xff1a;最近需要在stm32上实现通过rs485升级固件功能。经过几天搜索和调试&#xff0c;实现了功能。 目标&#xff1a;使用cubeIDE实现stm32F407VGT6&#xff0c;通过RS485升级固件 调试记录&#xff1a; 步骤1. 在keil环境下的rs485升级固件(含源码)&#xff1a;S…

react 18.2 官网学习笔记(1)

useMemo const cachedValue useMemo(calculateValue, dependencies)&#xff1b;参数一&#xff1a;计算要缓存的值的函数。它应该是纯的&#xff0c;不应该接受任何参数&#xff0c;并且应该返回任何类型的值。React会在初始渲染时调用你的函数。在下一次渲染时&#xff0c;…

从搭建hadoop开始学习大数据中分而治之的MapReduce(伪集群模式)

环境准备 首先需要将如下四个必要的文件下载到计算机&#xff08;已经附上了下载地址&#xff0c;点击即可下载&#xff09;。 Vmware Workstation 17.x 【官方的下载地址】 CentOS-7-x86_64-Minimal-2009【阿里云镜像站下载地址】 openjdk-8u41-b04-linux-x64-14_jan_2020【开…

入栏需看——全国硕士研究生入学统一考试管理类专业学位联考

本栏意在收集关于全国硕士研究生入学统一考试管理类专业学位联考&#xff0c;简称管理类联考的知识点&#xff0c;考点&#xff0c;希望大家一起沟通&#xff0c;一起进步&#xff0c;管它贵不贵&#xff0c;考过了再说咯 英语 知识篇 阅读 完型填空 作文 技巧篇 第二章…

rolling的用法实例

在数据分析的过程中&#xff0c;经常用到对计算移动均值&#xff0c;使用rolling可以轻松实现这个功能~ rolling函数是一个用于时间序列分析的函数&#xff1b; 一、参数解析 首先&#xff0c;让我们来了解一下rolling的各个参数吧 DataFrame.rolling(window, min_periodsN…

Echarts—X轴鼠标滑动或者缩放/多列柱状图中某一列数据为0时不占位

这里写目录标题 需求背景图表展示X轴鼠标滑动或者缩放设置多列柱状图中某一列数据为0时不占位图表代码展示 需求背景 用柱状图展示12个月的项目对应的供应商数据&#xff1b;每个月有多个项目不确定&#xff0c;1-50之间&#xff0c;也就是说&#xff0c;12个月&#xff0c;每…

1.数据库的基本操作

SQL句子中语法格式提示&#xff1a; 1.中括号&#xff08;[]&#xff09;中的内容为可选项&#xff1b; 2.[&#xff0c;...]表示&#xff0c;前面的内容可重复&#xff1b; 3.大括号&#xff08;{}&#xff09;和竖线&#xff08;|&#xff09;表示选择项&#xff0c;在选择…

魏可伟受邀参加 2023 开放原子全球开源峰会

6月11日-13日&#xff0c;2023 开放原子全球开源峰会在京举行。作为开源行业年度盛事&#xff0c;本次峰会以“开源赋能&#xff0c;普惠未来”为主题&#xff0c;聚集政、产、学、研等各领域优势&#xff0c;汇聚顶尖大咖&#xff0c;共话开源未来。 KaiwuDB CTO 魏可伟受邀出…

Rancher的安装(k8s)

1、 Rancher概述 rancher官方文档 Rancher 是一个 Kubernetes 管理工具&#xff0c;让你能在任何地方和任何提供商上部署和运行集群。 Rancher 可以创建来自 Kubernetes 托管服务提供商的集群&#xff0c;创建节点并安装 Kubernetes&#xff0c;或者导入在任何地方运行的现有…

【总结笔记】Spring

1 Spring容器加载配置文件进行初始化。 Spring容器加载配置文件进行初始化主要有两种形式&#xff1a; 加载配置文件进行初始化&#xff1a; ClassPathXmlApplicationContext ctx new ClassPathXmlApplicationContext(“ApplicationContext.xml”); 加载配置类进行初始化&…