Boost::asio io_service 实现分析

Boost::asio io_service 实现分析

io_service的作用

io_servie 实现了一个任务队列,这里的任务就是void(void)的函数。Io_servie最常用的两个接口是post和run,post向任务队列中投递任务,run是执行队列中的任务,直到全部执行完毕,并且run可以被N个线程调用。Io_service是完全线程安全的队列。

Io_servie的接口

提供的接口有run、run_one、poll、poll_one、stop、reset、dispatch、post,最常用的是run、post、stop

Io_servie 实现代码的基本类结构:

  • Io_servie是接口类,为实现跨平台,采用了策略模式,所有接口均有impl_type实现。根据平台不同impl_type分为
  • win_iocp_io_service Win版本的实现,这里主要分析Linux版本。
  • task_io_service 非win平台下的实现,其代码结构为:
  • detail/task_io_service_fwd.hpp 简单声明task_io_service名称
  • detail/task_io_service.hpp 声明task_io_service的方法和属性
  • detail/impl/task_io_service.ipp 具体实现文件
  • 队列中的任务类型为opertioan,原型其实是typedef task_io_service_operation operation,其实现文件在detail/task_io_service_operation.hpp中,当队列中的任务被执行时,就是task_io_service_operation:: complete被调用的时候。

Io_servie::Post方法的实现

Post向队列中投递任务,然后激活空闲线程执行任务。其实现流程如下:

  • Post接收handler作为参数,实际上是个仿函数,通过此仿函数构造出completion_handler对象,completion_handler继承自operation。然后调用post_immediate_completion。
  • post_immediate_completion首先将outstanding_work_增加,然后调用post_deferred_completion。
  • post_deferred_completion首先加锁将任务入列,然后调用wake_one_thread_and_unlock
  • wake_one_thread_and_unlock尝试唤醒当前空闲的线程,其实现中特别之处在于,若没有空闲线程,但是有线程在执行task->run,即阻塞在epoll_wait上,那么先中断epoll_wait执行任务队列完成后再执行epoll_wait。
  • first_idle_thread_维护了所有当前空闲线程,实际上使用了Leader/Follower模式,每次唤醒时只唤醒空闲线程的第一个。

Io_servie::run方法的实现

Run方法执行队列中的所有任务,直到任务执行完毕。

  • run方法首先构造一个idle_thread_info,和first_idle_thread_类型相同,即通过first_idle_thread_将所有线程串联起来,它这个串联不是立即串联的,当该线程无任务可做是加入到first_idle_thread_的首部,有任务执行时,从first_idle_thread_中断开。这很正常,因为first_idle_thread_维护的是当前空闲线程。
  • 加锁,循环执行do_one方法,直到do_one返回false
  • do_one每次执行一个任务。首先检查队列是否为空,若空将此线程追加到first_idle_thread_的首部,然后阻塞在条件变量上,直到被唤醒。
  • 当被唤醒或是首次执行,若stopped_为true(即此时stop方法被调用了),返回0
  • 队列非空,pop出一个任务,检查队列无任务那么简单的解锁,若仍有,调用wake_one_thread_and_unlock尝试唤醒其他空闲线程执行。然后执行该任务,返回1.
  • 实际上在执行队列任务时有一个特别的判断if (o == &task_operation_),那么将会执行task_->run,task_变量类型为reactor,在linux平台实现为epoll_reactor,实现代码文件为detail/impl/epoll_reactor.ipp,run方法实际上执行的是epoll_wait,run阻塞在epoll_wait上等待事件到来,并且处理完事件后将需要回调的函数push到io_servie的任务队列中,虽然epoll_wait是阻塞的,但是它提供了interrupt函数,该interrupt是如何实现的呢,它向epoll_wait添加一个文件描述符,该文件描述符中有8个字节可读,这个文件描述符是专用于中断epoll_wait的,他被封装到select_interrupter中,select_interrupter实际上实现是eventfd_select_interrupter,在构造的时候通过pipe系统调用创建两个文件描述符,然后预先通过write_fd写8个字节,这8个字节一直保留。在添加到epoll_wait中采用EPOLLET水平触发,这样,只要select_interrupter的读文件描述符添加到epoll_wait中,立即中断epoll_wait。很是巧妙。!!!实际上就是因为有了这个reactor,它才叫io_servie,否则就是一个纯的任务队列了。
  • Run方法的原则是:
  • 有任务立即执行任务,尽量使所有的线程一起执行任务
  • 若没有任务,阻塞在epoll_wait上等待io事件
  • 若有新任务到来,并且没有空闲线程,那么先中断epoll_wait,先执行任务
  • 若队列中有任务,并且也需要epoll_wait监听事件,那么非阻塞调用epoll_wait(timeout字段设置为0),待任务执行完毕在阻塞在epoll_wait上。
  • 几乎对线程的使用上达到了极致。
  • 从这个函数中可以知道,在使用ASIO时,io_servie应该尽量多,这样可以使其epoll_wait占用的时间片最多,这样可以最大限度的响应IO事件,降低响应时延。但是每个io_servie::run占用一个线程,所以io_servie最佳应该和CPU的核数相同。

Io_servie::stop的实现

  • 加锁,调用stop_all_threads
  • 设置stopped_变量为true,遍历所有的空闲线程,依次唤醒
  • task_interrupted_设置为true,调用task_的interrupt方法
  • task_的类型为reactor,在run方法中已经做了分析