libco 是腾讯开源的一个协程库,主要应用于微信后台RPC框架,下面我们从为什么使用协程、如何实现协程、libco使用等方面了解协程和libco。

why协程

为什么使用协程,我们先从server框架的实现说起,对于client-server的架构,server最简单的实现:

while(1) {accept();recv();do();send();}

串行地接收连接、读取请求、处理、应答,该实现弊端显而易见,server同一时间只能为一个客户端服务。

为充分利用好多核cpu进行任务处理,我们有了多进程/多线程的server框架,这也是server最常用的实现方式:

accept进程 - n个epoll进程 - n个worker进程

  1. accpet进程处理到来的连接,并将fd交给各个epoll进程
  2. epoll进程对各fd设置监控事件,当事件触发时通过共享内存等方式,将请求传给各个worker进程
  3. worker进程负责具体的业务逻辑处理并回包应答

以上框架以事件监听、进程池的方式,解决了多任务处理问题,但我们还可以对其作进一步的优化。

进程/线程是Linux内核最小的调度单位,一个进程在进行io操作时 (常见于分布式系统中RPC远程调用),其所在的cpu也处于iowait状态。直到后端svr返回,或者该进程的时间片用完、进程被切换到就绪态。是否可以把原本用于iowait的cpu时间片利用起来,发生io操作时让cpu处理新的请求,以提高单核cpu的使用率?

协程在用户态下完成切换,由程序员完成调度,结合对socket类/io操作类函数挂钩子、添加事件监听,为以上问题提供了解决方法。

用户态下上下文切换

Linux提供了接口用于用户态下保存进程上下文信息,这也是实现协程的基础:

  • getcontext(ucontext_t *ucp): 获取当前进程/线程上下文信息,存储到ucp中
  • makecontext(ucontext_t *ucp, void (*func)(), int argc, ...): 将func关联到上下文ucp
  • setcontext(const ucontext_t *ucp): 将上下文设置为ucp
  • swapcontext(ucontext_t *oucp, ucontext_t *ucp): 进行上下文切换,将当前上下文保存到oucp中,切换到ucp

以上函数与保存上下文的 ucontext_t 结构都在 ucontext.h 中定义,ucontext_t 结构中,我们主要关心两个字段:

  • struct ucontext *uc_link: 协程后继上下文
  • stack_t uc_stack: 保存协程数据的栈空间

stack_t 结构用于保存协程数据,该空间需要事先分配,我们主要关注该结构中的以下两个字段:

  • void __user *ss_sp: 栈头指针
  • size_t ss_size: 栈大小

获取进程上下文并切换的方法,总结有以下几步:

  1. 调用 getcontext(),获取当前上下文
  2. 预分配栈空间,设置 xxx.uc_stack.ss_sp 和 xxx.uc_stack.ss_size 的值
  3. 设置后继上下文环境,即设置 xxx.uc_link 的值
  4. 调用 makecontext(),变更上下文环境
  5. 调用 swapcontext(),完成跳转

Socket族函数/io异步处理

当进程使用socket族函数 (connect/send/recv等)、io函数 (read/write等),我们使用协程切换任务前,需对相应的fd设置监听事件,以便io完成后原有逻辑继续执行。

对io函数,我们可以事先设置钩子,在真正调用接口前,对相应fd设置事件监听。同样,Linux为我们设置钩子提供了接口,以read()函数为例:

  1. 编写名字为 read() 的函数,该函数先对fd调用epoll函数设置事件监听
  2. read() 中使用dlsym(),调用真正的 read()
  3. 将编写好的文件打包,编译成库文件:gcc -shared -Idl -fPIC prog2.c -o libprog2.so
  4. 执行程序时引用以上库文件:LD_PRELOAD=/home/qspace/lib/libprog2.so ./prog

当在prog程序中调用 read() 时,使用的就是我们实现的 read() 函数。

对于glibc函数设置钩子的方法,可参考:Let's Hook a Librarg Function

libco

有了以上准备工作,我们可以构建这样的server框架:

accept进程 - epoll进程(n个epoll协程) - n个worker进程(每个worker进程n个worker协程)

该框架下,接收请求、业务逻辑处理、应答都可以看做单独的任务,相应的epoll、worker协程事先分配,服务流程如下:

  1. mainloop主循环,负责 i/监听请求事件,有请求则拉起一个worker协程处理;ii/如果timeout时间内没有请求,则处理就绪协程(即io操作已返回) 
  2. worker协程,如果遇到io操作则挂起,对fd加监听事件,让出cpu

libco 提供了以下接口:

  • co_create: 创建协程,可在程序启动时创建各任务协程
  • co_yield: 协程主动让出cpu,调io操作函数后调用
  • co_resume: io操作完成后(触发相应监听事件)调用,使协程继续往下执行

socket族函数(socket/connect/sendto/recv/recvfrom等)、io函数(read/write) 在libco的co_hook_sys_call.cpp中已经重写,以read为例:

ssize_t read( int fd, void *buf, size_t nbyte )

{
struct pollfd pf = { };
pf.fd = fd;
pf.events = ( POLLIN | POLLERR | POLLHUP ); int pollret = poll( &pf,,timeout ); /*对相应fd设置监听事件*/
ssize_t readret = g_sys_read_func( fd,(char*)buf ,nbyte ); /*真正调用read()*/
return readret;
}

小结

由最简单的单任务处理,到多进程/多线程(并行),再到协程(异步),server在不断地往极致方向优化,以更好地利用硬件性能的提升(多核cpu的出现、单核cpu性能不断提升)。

对程序员而言,可时常检视自己的程序,是否做好并行与异步,在硬件性能提升时,程序服务能力可不可以有相应比例的提升。

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