分布式缓存系统 Memcached 工作线程初始化

Memcached采用典型的Master-Worker模式，其核心思想是：有Master和Worker两类进程（线程）协同工作，Master进程负责接收和分配任务，Worker进程负责处理子任务。当各Worker进程将各个子任务处理完成后，将结果返回给Master进程，由Master进程做归纳和汇总。

工作示意图如下所示：

其中每个工作线程维护一个连接队列，以接收由主线程分配的客户连接；同时每个工作线程维护一个Libevent实例，以处理和主线程间的管道通信以及和客户连接间的socket通信事件。

工作线程的创建与初始化等工作由函数void thread_init(int nthreads, struct event_base *main_base)

调用相应函数来完成。

//Memcached内部工作线程的封装    
typedef struct {    
    pthread_t thread_id;      //线程ID    
    struct event_base *base;  //libevent的不是线程安全的，每个工作线程持有一个libevent实例，用于pipe管道通信和socket通信    
    struct event notify_event; //用于监听pipe管道的libevent事件    
    int notify_receive_fd;      //接收pipe管道消息描述符    
    int notify_send_fd;        //发送pipe管道消息描述符    
    struct thread_stats stats;  //每个线程对应的统计信息    
    struct conn_queue *new_conn_queue; //每个线程都有一个工作队列，主线程接受的连接，挂载到该消息队列中    
    cache_t *suffix_cache;      //后缀cache    
    uint8_t item_lock_type;    //线程操作hash表持有的锁类型，有局部锁和全局锁    
} LIBEVENT_THREAD;

//分发线程的封装    
typedef struct {    
    pthread_t thread_id;        //线程id    
    struct event_base *base;    //libevent实例    
} LIBEVENT_DISPATCHER_THREAD;    
    
//工作线程绑定到libevent实例    
static void setup_thread(LIBEVENT_THREAD *me) {    
    me->base = event_init();//创建libevent实例    
    if (! me->base) {    
        fprintf(stderr, "Can't allocate event base\n");    
        exit(1);    
    }

//工作线程的初始化:对应liibevent实例的创建与设置，绑定到该libevent实例、注册事件、创建活动连接队列、创建设置线程，分别执行libevent事件循环：Memcached采用了典型的Master-Worker的线程模式，  
//Master就是由main线程来充当，而Worker线程则是通过Pthread创建的。  
void thread_init(int nthreads, struct event_base *main_base) {//该函数调用其他函数来完成线程创建、初始化等工作。  
    int        i;  
    int        power;  
  
    pthread_mutex_init(&cache_lock, NULL);  
    pthread_mutex_init(&stats_lock, NULL);  
  
    pthread_mutex_init(&init_lock, NULL);  
    pthread_cond_init(&init_cond, NULL);  
  
    pthread_mutex_init(&cqi_freelist_lock, NULL);  
    cqi_freelist = NULL;  
  
    /* Want a wide lock table, but don't waste memory */  
    if (nthreads < 3) {  
        power = 10;  
    } else if (nthreads < 4) {  
        power = 11;  
    } else if (nthreads < 5) {  
        power = 12;  
    } else {  
        /* 8192 buckets, and central locks don't scale much past 5 threads */  
        power = 13;  
    }  
  
    item_lock_count = hashsize(power);  
    item_lock_hashpower = power;  
  
    item_locks = calloc(item_lock_count, sizeof(pthread_mutex_t));  
    if (! item_locks) {  
        perror("Can't allocate item locks");  
        exit(1);  
    }  
    for (i = 0; i < item_lock_count; i++) {  
        pthread_mutex_init(&item_locks[i], NULL);  
    }  
    pthread_key_create(&item_lock_type_key, NULL);  
    pthread_mutex_init(&item_global_lock, NULL);  
  
    threads = calloc(nthreads, sizeof(LIBEVENT_THREAD));  
    if (! threads) {  
        perror("Can't allocate thread descriptors");  
        exit(1);  
    }  
  
    dispatcher_thread.base = main_base;  
    dispatcher_thread.thread_id = pthread_self();  
    //工作线程的初始化,工作线程和主线程(main线程)是通过pipe管道进行通信的    
    for (i = 0; i < nthreads; i++) {  
        int fds[2];  
        if (pipe(fds)) {  
            perror("Can't create notify pipe");  
            exit(1);  
        }  
  
        threads[i].notify_receive_fd = fds[0];//读管道绑定到工作线程的接收消息的描述符    
        threads[i].notify_send_fd = fds[1];//写管道绑定到工作线程的发送消息的描述符    
  
        setup_thread(&threads[i]);//添加工作线程到lievent中  
        /* Reserve three fds for the libevent base, and two for the pipe */  
        stats.reserved_fds += 5;  
    }  
  
    /* Create threads after we've done all the libevent setup. */  
    for (i = 0; i < nthreads; i++) {  
        create_worker(worker_libevent, &threads[i]);//创建线程，执行libevnt事件循环  
    }  
  
    /* Wait for all the threads to set themselves up before returning. */  
    pthread_mutex_lock(&init_lock);  
    wait_for_thread_registration(nthreads);  
    pthread_mutex_unlock(&init_lock);  
}

/* 
 * Set up a thread's information. 
 */  
//工作线程绑定到libevent实例，注册该线程的通知事件，创建并初始化其消息队列（即就绪事件队列）  
static void setup_thread(LIBEVENT_THREAD *me) {  
    me->base = event_init();  
    if (! me->base) {  
        fprintf(stderr, "Can't allocate event base\n");  
        exit(1);  
    }  
  
    /* Listen for notifications from other threads */  
//设置event对象：设置事件ev绑定文件描述符或信号值fd（定时事件设为-1）；设置事件类型；设置回调函数及参数  
    event_set(&me->notify_event, me->notify_receive_fd,  
              EV_READ | EV_PERSIST, thread_libevent_process, me);  
    //设置事件ev从属的event_base，以及ev的优先级  
    event_base_set(me->base, &me->notify_event);  
      
//往事件队列中注册事件处理器，并将对应事件添加到事件多路分发器上  
//内部调用event_add_internal函数  
    if (event_add(&me->notify_event, 0) == -1) {  
        fprintf(stderr, "Can't monitor libevent notify pipe\n");  
        exit(1);  
    }  
  
 //创建消息队列，用于接受主线程分发的连接    
    me->new_conn_queue = malloc(sizeof(struct conn_queue));  
    if (me->new_conn_queue == NULL) {  
        perror("Failed to allocate memory for connection queue");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
    cq_init(me->new_conn_queue);//初始化连接队列（单链表）  
//创建线程的后缀cache？？  
    if (pthread_mutex_init(&me->stats.mutex, NULL) != 0) {  
        perror("Failed to initialize mutex");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    me->suffix_cache = cache_create("suffix", SUFFIX_SIZE, sizeof(char*),  
                                    NULL, NULL);  
    if (me->suffix_cache == NULL) {  
        fprintf(stderr, "Failed to create suffix cache\n");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
}

//创建工作线程  
static void create_worker(void *(*func)(void *), void *arg) {  
    pthread_t      thread;  
    pthread_attr_t  attr;  
    int            ret;  
  
    pthread_attr_init(&attr);//Posix线程部分，线程属性初始化    
  
    //创建线程：外部传入的线程函数worker_libevent  
    if ((ret = pthread_create(&thread, &attr, func, arg)) != 0) {  
        fprintf(stderr, "Can't create thread: %s\n",  
                strerror(ret));  
        exit(1);  
    }  
}

//线程处理函数 ：执行libevent事件循环（处理与主线程的通信事件和所分配到的客户连接事件的处理）
  
static void *worker_libevent(void *arg) {  
    LIBEVENT_THREAD *me = arg;  
  
  
    /* Any per-thread setup can happen here; thread_init() will block until 
    * all threads have finished initializing. 
    */  
  
  
    /* set an indexable thread-specific memory item for the lock type. 
    * this could be unnecessary if we pass the conn *c struct through 
    * all item_lock calls... 
    */  
  //默认的hash表的锁为局部锁    
    me->item_lock_type = ITEM_LOCK_GRANULAR;    
    pthread_setspecific(item_lock_type_key, &me->item_lock_type);//设定线程的属性    
    //用于控制工作线程初始化，通过条件变量来控制    
    register_thread_initialized();    
    //工作线程的libevent实例启动    
    event_base_loop(me->base, 0);  
    return NULL;  
}

其中Libevent的事件循环函数event_baseloop:(代码来自Libevent框架源码)，其处理流程如图：

具体代码如下：

//事件处理主循环：调用I/O事件多路分发器监听函数，以等待事件发生，  
//当有事件发生时将其插入到活动事件队列数组对应优先级的队列中，然后调用其事件的回调函数依次处理事件。  
int  
event_base_loop(struct event_base *base, int flags)  
{  
    const struct eventop *evsel = base->evsel;  
    struct timeval tv;  
    struct timeval *tv_p;  
    int res, done, retval = 0;  
  
    /* Grab the lock.  We will release it inside evsel.dispatch, and again 
    * as we invoke user callbacks. */  
    EVBASE_ACQUIRE_LOCK(base, th_base_lock);//获取对event_base的独占锁  
  
    //如果事件循环已经启动，则不能再启动  
    if (base->running_loop) {  
        event_warnx("%s: reentrant invocation.  Only one event_base_loop"  
            " can run on each event_base at once.", __func__);  
        EVBASE_RELEASE_LOCK(base, th_base_lock);//释放对event_base的独占锁  
        return -1;  
    }  
  
    base->running_loop = 1;//标记循环已经启动  
  
    clear_time_cache(base);//清除系统时间缓存  
  
    if (base->sig.ev_signal_added && base->sig.ev_n_signals_added)  
        evsig_set_base(base);//设置信号处理器的event_base实例  
  
    done = 0;  
  
#ifndef _EVENT_DISABLE_THREAD_SUPPORT    
    base->th_owner_id = EVTHREAD_GET_ID(); //不支持多线程时  
#endif  
    //多线程  
    base->event_gotterm = base->event_break = 0;  
  
    while (!done) {  
        base->event_continue = 0;  
  
        /* Terminate the loop if we have been asked to */  
        if (base->event_gotterm) {  
            break;  
        }  
  
        if (base->event_break) {  
            break;  
        }  
  
        // 校正系统时间，如果系统支持monotonic时间，该时间是系统从boot后到现在所经过的时间，因此不需要执行校正。  
        //如果系统使用的是非MONOTONIC时间，用户可能会向后调整了系统时间  
        // 在timeout_correct函数里，比较last wait time和当前时间，如果当前时间< last wait time  
        // 表明时间有问题，这是需要更新timer_heap中所有定时事件的超时时间。  
        timeout_correct(base, &tv);  
  
        tv_p = &tv;  
        // 根据timer heap中事件的最小超时时间，设置系统I/O demultiplexer的最大等待时间  
        if (!N_ACTIVE_CALLBACKS(base) && !(flags & EVLOOP_NONBLOCK)) {//没有就绪事件则设置最大等待时间  
            //如果就绪事件为0，且、、  
            timeout_next(base, &tv_p);////获取时间堆中超时时间最小的事件处理器的,计算等待时间，返回值存在tv_p中  
            //超时时间作为I/O分发器的超时返回时间，这样当I/O分发器返回时即可以去处理  
            //事件堆上就绪的定时事件  
        } else {//有事件就绪了，就直接返回  
            /* 
            * if we have active events, we just poll new events 
            * without waiting. 
            */  
            //如果有就绪事件尚未处理，则将I/O复用系统调用的超时时间设置为0，  
            //这样I/O复用系统调用将直接返回，程序即立即处理就绪事件  
            evutil_timerclear(&tv);//(tvp)->tv_sec = (tvp)->tv_usec = 0  
        }  
  
        /* If we have no events, we just exit */  
        //如果event_base中没有注册任何事件，则直接退出  
        if (!event_haveevents(base) && !N_ACTIVE_CALLBACKS(base)) {  
            event_debug(("%s: no events registered.", __func__));  
            retval = 1;  
            goto done;  
        }  
  
        /* update last old time */  
        gettime(base, &base->event_tv);//更新base->event_tv为缓存时间（没清空时）或系统当前那时间  
  
        clear_time_cache(base);//清除系统时间缓存  
  
        //调用后端i/o复用机制的事件多路分发器的dispath函数等待事件，将就绪信号事件，I/O事件插入到活动事件队列中  
        res = evsel->dispatch(base, tv_p);//阻塞调用：如epoll_wait  
  
        if (res == -1) {  
            event_debug(("%s: dispatch returned unsuccessfully.",  
                __func__));  
            retval = -1;  
            goto done;  
        }  
  
        update_time_cache(base);//更新时间缓存为当前系统时间（缓存时间记录了本次事件就绪返回的时间）  
// 检查heap中的timer events，将就绪的timer event从heap上删除，并插入到激活链表中  
        timeout_process(base);  
// 调用event_process_active()处理激活链表中的就绪event，调用其回调函数执行事件处理  
// 该函数会寻找最高优先级（priority值越小优先级越高）的激活事件链表，  
// 然后处理链表中的所有就绪事件；  
// 因此低优先级的就绪事件可能得不到及时处理；  
        if (N_ACTIVE_CALLBACKS(base)) {//有就绪事件就绪了  
            int n = event_process_active(base);//处理就绪事件  
            if ((flags & EVLOOP_ONCE)  
                && N_ACTIVE_CALLBACKS(base) == 0  
                && n != 0)  
                done = 1;  
        } else if (flags & EVLOOP_NONBLOCK)  
            done = 1;  
    }  
    event_debug(("%s: asked to terminate loop.", __func__));  
  
done:  
    // 循环结束，清空时间缓存  
    clear_time_cache(base);  
    base->running_loop = 0;//设置停止循环标志  
  
    EVBASE_RELEASE_LOCK(base, th_base_lock);//释放锁  
  
    return (retval);  
}

//阻塞工作线程    
static void wait_for_thread_registration(int nthreads) {    
    while (init_count < nthreads) {    
        pthread_cond_wait(&init_cond, &init_lock);//在条件变量init_cond上面阻塞，阻塞个数为nthreads-init_count    
    }    
}    
//唤醒工作线程    
static void register_thread_initialized(void) {    
    pthread_mutex_lock(&init_lock);    
    init_count++;    
    pthread_cond_signal(&init_cond);    
    pthread_mutex_unlock(&init_lock);    
}    
    
//每个线程持有的统计信息    
struct thread_stats {    
    pthread_mutex_t  mutex;    
    uint64_t          get_cmds;    
    uint64_t          get_misses;    
    uint64_t          touch_cmds;    
    uint64_t          touch_misses;    
    uint64_t          delete_misses;    
    uint64_t          incr_misses;    
    uint64_t          decr_misses;    
    uint64_t          cas_misses;    
    uint64_t          bytes_read;    
    uint64_t          bytes_written;    
    uint64_t          flush_cmds;    
    uint64_t          conn_yields; /* # of yields for connections (-R option)*/    
    uint64_t          auth_cmds;    
    uint64_t          auth_errors;    
    struct slab_stats slab_stats[MAX_NUMBER_OF_SLAB_CLASSES];    
};

本节主要分析了工作线程的初始化部分，至于具体的主线程任务分发调度，以及工作线程如何具体处理连接和与主线程之间的通信等后续讲解。