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【系列教程】多线程实现都需要注意什么？

2年前 (2022) 程序员胖胖胖虎阿
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day05 多线程实现都需要注意什么？

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往期教程

day01-从一个基础的socket服务说起

day02 真正的高并发还得看IO多路复用

day03 C++项目开发配置最佳实践(vscode远程开发配置、格式化、代码检查、cmake管理配置)

day04 高性能服务设计思路

工作线程如何初始化？

在我们的设计中，工作线程本身是一个事件循环，启动后会陷入阻塞，等待事件发生。为了达到这个效果，线程启动时需要做一些初始化工作。
我们定义了EventLoopThread类，类的定义如下

class EventLoopThread {
    public:
    EventLoopThread()
    : thread_(std::bind(&EventLoopThread::ThreadFunc, this)),
      mutex_(),
      cond_(){};
    ~EventLoopThread();
    void StartLoop();
    void ThreadFunc();
    void AddChannel(SP_Channel);
    void AddConn(SP_Conn);
    SP_EventLoop GetLoop() { return loop_; }
    
    private:
    SP_EventLoop loop_;
    bool started_;
    std::thread thread_;
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable cond_;
};

SP开头的代表对应类的shared_ptr智能指针类型；比如SP_EventLoop =std::shared_ptr\<EventLoop>

在EventLoopThread构造函数中，创建了一个std::thread对象，并以EventLoopThread::ThreadFunc作为线程执行函数。

void EventLoopThread::ThreadFunc() try {
  if (loop_) {
    throw "loop_ is not null";
  }
  loop_ = SP_EventLoop(new EventLoop());
  {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
    started_ = true;
    cond_.notify_all();
  }
  loop_->Loop();
} catch (std::exception& e) {
  SPDLOG_CRITICAL("EventLoopThread::ThreadFunc exception: {}", e.what());
  abort();
}

我们先看看第5行：loop_ = SP_EventLoop(new EventLoop());初始化了一个EventLoop并赋值到EventLoopThread成员变量loop_上，我们先看看EventLoop的定义

class EventLoop {
 public:
  EventLoop() : poller_(SP_Epoll(new Epoll())){};
  void Loop();
  void AddToPoller(SP_Channel channel);
  void UpdateToPoller(SP_Channel channel);
  void RemoveFromPoller(SP_Channel channel);

 private:
  SP_EventDispatcher poller_;
};

可以看到，在EventLoop的构造函数中，初始化了一个Epoll对象赋值到变量poller_上。poller_本身是个EventDispacther对象，Epoll继承了EventDispatcher，表示基于epoll实现的事件分发；
这样做的好处是如果要新增一种事件分发机制，比如项目要支持mac环境，我们需要用kqueue代替epoll实现事件分发。这个时候我们只需要修改EventLoop的构造函数，将新的事件分发对象Kqueue赋值给poller_即可。
我们再看看Epoll在初始化时做了什么。

Epoll::Epoll() : epoll_fd_(epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC)), epoll_events_(EVENTSNUM) {
  assert(epoll_fd_ > 0);
}

调用了epoll_create1，创建了一个epoll实例，也就是说，一个Epoll对象初始化时，就已经在内核准备好了一个eventpoll对象，我们可以添加套接字并监听相关事件了。
看回EventLoopThread::ThreadFunc, 在初始化一个EventLoop对象后，EventLoopThread::ThreadFunc会再调用loop_->Loop()，这个就是我们之前说的事件循环了。

void EventLoop::Loop() {
  std::vector<SP_Channel> ready_channels;
  for (;;) {
    ready_channels.clear();
    ready_channels = poller_->WaitForReadyChannels();
    for (SP_Channel chan : ready_channels) {
      chan->HandleEvents();
    }
  }
}

EventLoop::Loop本身是个死循环，大概逻辑也比较简单，就是不断从poller_中获取触发事件的channel列表，再遍历该列表，调用对应的HandleEvent事件处理函数。
当没有事件时，该循环会阻塞在WaitForReadyChannels处，底层其实是阻塞在epoll_wait。（阻塞过程中线程是挂起状态，并不会占用cpu）。
我们简单回顾下线程的初始化。

  1. 创建了一个EventLoop对象，底层通过调用epoll_create1创建了epoll实例，可以通过该epoll实例添加事件监听。

  2. 之后调用EventLoop::Loop，在没有事件时，线程会陷入阻塞；当有事件发生时，会调用注册时对应的handleEvents方法进行处理。

    如何控制线程启动的顺序？

    上面我们讲了线程的初始化，但初始化后，EventLoopThread还需要调用StartLoop才能开始工作。这其实是为了让主线程等待线程池中的工作线程完成初始化。

    为什么要控制？

    首先讲讲主线程为什么要等待工作线程完成初始化。
    在我们的线程模型设计中，主线程负责监听接收新连接请求，然后选择线程池中的一个工作线程，将新连接套接字交给工作线程处理。
    假设工作线程不需要StartLoop，在工作线程初始化后直接加入到线程池。

    void EventLoopThreadPool::start() {
  for (int i = 0; i < thread_num_; i++) {
 SP_EventLoopThread t(new EventLoopThread());
 // t->StartLoop();
 threads_.emplace_back(t);
  }
}

    当有新连接时，主线程通过从线程池中获取一个工作线程。但这个时候，我们是没法保证选出的工作线程是已经初始化了loop_的。因为EventLoopThread::ThreadFunc的执行是异步的，执行顺序可能如下。
    【系列教程】多线程实现都需要注意什么？
    在主线程选中将新连接添加到工作线程中时，工作线程的loop_此时还未初始化，可能会导致程序直接coredump。
    所以，我们必须想办法让工作线程的EventLoop初始化在主线程开始接收新连接请求之前。

    如何控制？

    这实际上是一个多线程的通知问题，我们主要采用的是mutex和condition这两个武器，通过条件变量来完成通知。

    在C++中，我们通常使用condition_variable搭配互斥量mutex来处理线程间同步问题。主要用到的是condition_variable::notify_xx和condition_variable::wait函数。
    顾名思义，wait就是一个等待的作用，假设我们在线程A进行wait,流程如下：

    1. lock获取到锁，
    2. 调用wait，会先自动unlock释放锁，然后将线程阻塞住；
    3. 被其他线程唤醒后，会自动lock获取锁，继续执行wait的下一行代码

    唤醒线程的函数是notify_all和notify_one,两者的区别在于 notify_one()每次只唤醒一个线程，那么notify_all()函数会唤醒所有等待中的线程（当最终能抢到锁的只有一个线程）。调用流程如下：

    1. lock获取到锁
    2. 调用notify_all/notify_one，唤醒等待中的线程
    3. 释放锁

我们为EventLoopThread引入了StartLoop方法，大概效果如下
【系列教程】多线程实现都需要注意什么？
为了阅读方便，在这里再贴一遍EventLoopThread相关的代码

// lib/event_loop_thread.h
class EventLoopThread {
    public:
    ...
    void StartLoop();
    void ThreadFunc();
    ...
    private:
    ...
    bool started_;
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable cond_;
};

// lib/event_loop_thread.cpp
void EventLoopThread::ThreadFunc() try {
  if (loop_) {
    throw "loop_ is not null";
  }
  loop_ = SP_EventLoop(new EventLoop());
  {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
    started_ = true;
    cond_.notify_all();
  }
  loop_->Loop();
} catch (std::exception& e) {
  SPDLOG_CRITICAL("EventLoopThread::ThreadFunc exception: {}", e.what());
  abort();
}

void EventLoopThread::StartLoop() {
  std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
  while (!started_) cond_.wait(lock);
}

首先，我们需要明确，在工作线程初始化loop_后，就代表该线程已经准备完成，可以接收处理套接字了。所以我们在完成loop_的初始化后，将started_置为true,然后就发送notify通知唤醒等待线程。
而在StartLoop函数中,我们先检查started_是否为false，如果是true,代表工作线程已经初始化完loop_了，这种情况StartLoop不再需要wait，直接返回即可；如果started_为false,则陷入等待，直到工作线程完成loop_初始化后唤醒。

如何将套接字添加到工作线程？

最后，我们仔细聊聊新连接套接字是如何添加到工作线程中的。
没有请求时，主线程会阻塞在accept调用，当有新连接请求时，accept会返回新连接套接字accept_fd。
主线程会先将accept_fd封装成一个Conn对象，上一节《day04 高性能服务设计思路》讲到项目中有多种连接，这些连接有一个共同的基类Conn, Conn主要是将套接字封装成一个Channel,并设置该Channel各种事件回调处理逻辑。不同类型的Conn有各自的回调处理逻辑。
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接下来，主线程通过EventLoopThreadPool::PickRandThread获取一个工作线程。

SP_EventLoopThread EventLoopThreadPool::PickRandThread() {
  SP_EventLoopThread t;
  {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(thread_mutex_);
    t = threads_[next_work_thread_Idx_];
    next_work_thread_Idx_ = (next_work_thread_Idx_ + 1) % thread_num_;
  }
  return t;
}

这里我们直接采用轮训策略选取线程池中的线程。
获取到工作线程后，我们直接调用EventLoopThread::AddConn,将该连接交由工作线程处理。

// lib/event_loop_thread.cpp
void EventLoopThread::AddConn(SP_Conn conn) { 
    loop_->AddToPoller(conn->GetChannel()); 
}

// lib/event_loop.cpp
void EventLoop::AddToPoller(SP_Channel channel) {
    poller_->PollAdd(channel); 
}

// lib/epoll.cpp
void Epoll::PollAdd(SP_Channel channel) {
  int fd = channel->getFd();
  epoll_event event;
  event.data.fd = fd;
  event.events = channel->GetEvents();
  if (epoll_ctl(epoll_fd_, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event) < 0) {
    SPDLOG_CRITICAL("epoll_ctl fd: {} err: {}", fd, strerror(errno));
  } else {
    fd2chan_[fd] = channel;
  }
}

可以发现，底层是调用epoll_ctl将套接字fd加到对应工作线程的epoll实例上。
这里值得注意的是，【套接字添加到工作线程的epoll实例】这个动作是在主线程上完成，由于epoll是线程安全的，所以在主线程直接操作工作线程的epoll实例是没有问题的。

继续思考

有没有办法将【套接字添加到工作线程的epoll实例】这个动作放到工作线程上完成呢？其实这种做法更为普遍，比如有些时候为了避免加锁，提高操作效率，某些操作需要由主线程触发，由工作线程执行。
这里的难点在于工作线程是本身是个无限循环，在没有事件发生时，会一直阻塞在epoll_wait上，这种情况下，主线程如何通知工作线程执行操作呢？
这里介绍一种思路，我们可以在EventLoop初始化时，通过eventfd()调用创建一个套接字event_fd，EventLoop添加监听event_fd的读事件。
在EventLoop::Loop函数中，每次处理完一轮读写后，都会再执行一个函数doPendingFns(), 伪代码如下

void EventLoop::Loop() {
  std::vector<SP_Channel> ready_channels;
  for (;;) {
    ready_channels.clear();
    ready_channels = poller_->WaitForReadyChannels();
    for (SP_Channel chan : ready_channels) {
      chan->HandleEvents();
    }
    doPendingFns();
  }
}

void doPendingFns() {
  std::vector<Functor> fns;
  {
      MutexLockGuard lock(mutex_);
      fns.swap(pendingFns_);
  }
  for (auto fn : fns) {
    fn();
  }
}

主线程在需要工作线程执行某个函数时，只需要往工作线程的pendingFns列表添加对应的函数，再往event_fd随便写一些数据，让工作线程退出阻塞，工作线程最终会在doPendingFns遍历执行pendingFns列表中的全部函数。

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版权声明：程序员胖胖胖虎阿 发表于 2022年10月28日 下午9:08。
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