07 定时器处理非活动连接（上）

news2024/9/24 3:23:54

07 定时器处理非活动连接（上）

基础知识

非活跃，是指客户端（这里是浏览器）与服务器端建立连接后，长时间不交换数据，一直占用服务器端的文件描述符，导致连接资源的浪费。
定时事件，是指固定一段时间之后触发某段代码，由该段代码处理一个事件，如从内核事件表删除事件，并关闭文件描述符，释放连接资源。
定时器，是指利用结构体或其他形式，将多种定时事件进行封装起来。具体的，这里只涉及一种定时事件，即定期检测非活跃连接，这里将该定时事件与连接资源封装为一个结构体定时器。
定时器容量，是指使用某种容器类数据结构，将上述多个定时器组合起来，便于对定时事件统一管理。具体的，项目中使用升序链表将所有定时器串联组织起来。

整体概述

本项目中，服务器主循环为每一个连接创建一个定时器，并对每个连接进行定时。另外，利用升序时间链表容器将所有容器串联起来，若主循环接收到定时通知，则在链表中依次执行定时任务。
Linux下提供了三种定时的方法：

  • sokcet选项SO_RECVTIMEO和SO_SNDTIMEO
  • SIGALRM信号
  • I/O复用系统调用的超时参数
    三种方法没有一劳永逸的应用场景，也没有绝对的优劣。项目中使用的是SIGALRM信号。
    利用alarm函数周期性地触发SIGALRM信号，信号处理函数利用管道通知主循环，主循环接收到该信号后对升序链表上所有定时器进行处理，若该段时间内没有交换数据，则将该连接关闭，释放所占用地资源。
    定时器处理非活动连接模块，主要分为定时方法与信号通知流程，定时器及其容器设计与定时任务地处理。

本文内容

定时方法与信号流程，具体设计到基础API、信号通知流程和代码实现。
基础API，描述sigaction结构体，sigaction函数，sigfillset函数，SIGALRM信号、SIGTERM信号、alarm函数，socketpair函数、send函数。
信号通知流程，介绍统一事件源和信号处理机制。
代码实现，结合代码对信号处理函数地设计与使用进行详解。

基础API

sigaction结构体

struct sigaction{
	void (*sa_handler)(int);
	void (*sa_sigaction)(int,siginfo_t *,void *);
	sigset_t sa_mask;
	int sa_flags;
	void (*sa_restorer)(void);
}
  • sa_handler是一个函数指针，指向信号处理函数
  • sa_sigaction同样是信号处理函数，有三个参数，可以获得关于信号更详细的信息
  • sa_mask用来指定在信号处理函数执行期间需要被屏蔽的信号
  • sa_flags用于指定信号处理的行为
    SA_RESTART，使被信号打断的系统调用自动重新发起
    SA_NOCLDSTOP，使父进程在它的子进程暂停或继续运行时不会收到SIGCHLD信号
    SA_NOCLDWAIT，使父进程在它的子进程退出时不会收到SIGCHLD信号，这时子进程如果退出也不会成为僵尸进程
    SA_NODEFER，使对信号的屏蔽无效，即在信号处理函数执行期间仍能发出这个信号
    SA_RESETHAND，信号处理之后重新设置为默认的处理方式
    SA_SIGINFO，使用sa_sigaction成员而不是sa_handler作为信号处理函数
  • sa_restorer一般不使用

sigaction函数

#include <signal.h>

int sigaction(int signum,const struct sigaction *act,struct sigaction *oldact);
  • signum表示操作的信号
  • act表示对信号设置新的处理方式
  • oldact表示信号原来的处理方式
  • 返回值，0表示成功，-1表示有错误发生

sigfillset函数

#include <signal.h>

int sigfillset(sigset_t *set);

用来将参数set信号集初始化，然后将所有的信号加入到此信号集里。

SIGALRM、SIGTREM信号

#define SIGALRM 14//由alarm系统调用产生timer时钟信号
#define SIGTERM 15//终端发送的终止信号

alarm函数

#include <unistd.h>

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

设置信号传送闹钟，即用来设置信号SIGALRM在经过参数seconds秒数后发送给目前的进程。如果未设置信号SIGALRM的处理函数，那么alarm（）默认终止进程。

socketpair函数

在linux下，使用socketpair函数能够创建一对套接字进行通信，项目中使用管道通信。

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

int socketpair(int domain,int type,int protocol,int sv[2]);
  • domain表示协议族，PF_UNIX或者AF_UNIX
  • type表示协议，可以是SOCKSTREAM或者SOCK_DGRAM，SOCK_STREAM基于TCP，SOCK_DGRAM基于UDP
  • protocol表示类型，只能未0
  • sc[2]表示套接字柄对，该两个句柄作用相同，均能进行读写双向操作
  • 返回结果，0创建成功，-1创建失败

send函数

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

ssize_t send(int sockfd,const void *buf,size_t len,int flags);

当套接字发送缓冲区变满后，send通常会阻塞，除非套接字设置为非阻塞模式，当缓冲区变满时，返回EAGAIN或者EWOULDBLOCK错误，此时可以调用select函数来监视何时可以发送数据。

信号通知流程

Linux下的信号采用的异步处理机制，信号处理函数和当前进程是两条不同的执行路线。具体的，当进程收到信号时，操作系统会中断当前的正常流程，转而进入信号处理函数执行操作，完成后再返回中断的地方继续执行。
为避免信号竞态现象发生，信号处理期间系统不会再次触发它。所以，为确保该信号不被屏蔽太久，信号处理函数需要尽可能快地执行完毕。
一般的信号处理函数需要处理该信号对应的逻辑，当逻辑比较复杂时，信号处理函数执行时间过长，会导致信号屏蔽太久。
这里的解决方案是，信号处理函数仅仅发送信号通知程序主循环，将信号对应的处理逻辑放在程序主循环中，由主循环执行信号对应的逻辑代码。

统一事件源

统一事件源，是指将信号事件与其他事件一样处理。
信号处理函数使用管道将信号传递给主循环，信号处理函数往管道的写端写入信号值，主循环则从管道的读端读出信号值，使用I/O复用系统调用来监听管道读端的可读事件，这样信号事件与其他文件描述符都可以通过epoll来检测，从而实现统一处理。

信号处理机制

每个进程之中，都有存着一个表，里面存着每种信号所代表的含义，内核通过设置表项中每一个位来标识对应的信号类型。
在这里插入图片描述
信号的接收

  • 接收信号的任务是由内核代理的，当内核接收到信号后，会将其放到对应进程的信号队列中，同时向进程发送一个中断，使其陷入内核态。此时信号还只是在队列中，对进程来说暂时是不知道由信号到来的。

信号的检测

  • 进程从内核态返回到用户态前进行信号检测
  • 进程在内核态中，从睡眠状态被唤醒的时候进行信号检测
  • 进程陷入内核态后，由两种场景会对信号进行检测
  • 当发现有新信号时，便会进入下一步，信号的处理

信号的处理

  • （内核）信号处理函数是运行在用户态的，调用处理函数前，内核会将当前内核栈的内容备份拷贝到用户栈上，并且修改指令寄存器（eip）将其指向信号处理函数。
  • （用户）接下来进程返回到用户态中，执行相应的信号处理函数
  • （内核）信号处理函数执行完成后，还需要返回内核态，检查是否还有其他信号未处理
  • （用户）如果所有信号都处理完成，就会将内核栈恢复（从用户栈的备份拷贝回来），同时恢复指令寄存器（eip）将其指向中断前的运行位置，最后回到用户态继续执行进程。

至此，一个完整的信号处理流程便结束了，如果同时有多个信号到达，上面的处理流程会在第2步和第3步骤间重复进行。

代码分析

信号处理函数

自定义信号处理函数，创建sigaction结构体变量，设置信号函数。

//信号处理函数
void sig_handler(int sig)
{
	//为保证函数的可重入性，保证原来的errno
	//可重入性表示中断后再次进入该函数，环境变量与之前相同，不会丢失数据
	int save_errno=errno;
	int msg=sig;

	//将信号值从管道写端写入，传输字符类型，而非整型
	send(pipefd[1],(char *)&msg,1,0);

	//将原来的errno赋值为当前的errno
	errno=save_errno;
}

信号处理函数中仅仅通过管道发送信号值，不处理信号对应的逻辑，缩短异步执行时间，减少对主程序的影响。

//设置信号函数
void addsig(int sig,void(handler)(int),bool restart=true)
{
	//创建sigaction结构体变量
	struct sigaction sa;
	memset(&sa,'\0',sizeof(sa));

	//信号处理函数中仅仅发送信号值，不做对应逻辑处理
	sa.handler=handler;
	if(restart)
		sa.sa_flags|=SA_RESTART;
	//将所有信号添加到信号集中
	sigfillset(&sa.sa_mask);

	//执行sigaction函数
	assert(sigaction(sig,&sa,NULL)!=-1);
}

项目中设置信号函数，仅关注SIGALRM和SIGTERM两个信号。

信号通知逻辑

  • 创建管道，其中管道写端写入信号值，管道读端通知I/O复用系统监测读事件
  • 设置信号处理函数SIGALRM（时间到了触发）和SIGTERM（kill会触发，Ctrl+C）
    通过struct sigaction结构体和sigaction函数注册信号捕捉函数
    在结构体的handler参数设置信号处理函数，具体的，从管道写端写入信号的名字
  • 利用I/O复用系统监听管道读端文件描述符的可读事件
  • 信号值传递给主循环，主循环再根据收到的信号值执行目标信号对应的逻辑代码

代码分析

//创建管道套接字
ret=socketpair(PF_UNIX,SOCK_STREAM,0,pipefd);
assert(ret!=-1);

//设置管道写端为非阻塞，为什么写端要非阻塞？
setnonblocking(pipefd[1]);

//设置管道读端为ET非阻塞
addfd(epollfd,pipefd[0],false);

//传递给主循环的信号值，这里只关注SIGALRM和SIGTERM
addsig(SIGALRM,sig_handler,false);
addsig(SIGTERM,sig_handler,false);

//循环条件
bool stop_server=false;

//c超时标志
bool timeout=false;

//每隔TIMESLOT时间触发SIGALRM信号
alarm(TIMESLOT);

while(!stop_server)
{
	//监测发生事件的文件描述符
	int number=epoll_wait(epollfd,events,MAX_EVENT_NUMBER,-1);
	if(number<0&&errno!=EINTR)
	{
		break;
	}

	//轮询文件描述符
	for(int i=0;i<number;i++)
	{
		int sockfd=events[i].data.fd;

		//管道读端对应文件描述符发生读事件
		if((sockfd==pipefd[0])&&(events[i].events&EPOLLIN))
		{
			int sig;
			char signals[1024];

			//从管道读端读出信号值，成功返回字节数，失败返回-1
			//正常情况下，这里的ret返回值总是1，只有14和15两个ASCII码对应的字符
			ret=recv(pipefd[0],signals,sizeof(signals),0);
			if(ret==-1)
			{
				//handler the error
				continue;
			}
			else if(ret==0)
			{
				continue;
			}
			else
			{
				//处理信号值对应的逻辑
				for(int i=0;i<ret;++i)
				{
					//这里面是字符
					switch(signals[i])
					{
					//这里是整型
					case SIGALRM:
					{
						timeout=true;
						break;
					}
					case SIGTERM:
					{
						stop_server=true;
					}
					}
				}
			}
		}
	}
}

为什么管道写端要非阻塞？
send是将信息发送给套接字缓冲区，如果缓冲区满了，则会阻塞，这时候会进一步增加信号处理函数的执行事件，为此，将其修改为非阻塞。
没有对非阻塞返回值处理，如果阻塞是不是意味着这一次定时事件失效了？
是的，但定时事件是非必须立即处理的事件，可以允许这样的情况发生。
管道传递的是什么类型？switch-case的变量冲突？
信号本身是整型数值，管道中传递的是ASCII码表中整型数值对应的字符。
switch的变量一般为字符或整型，当switch的变量为字符时，case可以是字符，也可以是字符对应的ASCII码。

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