Linux多线程服务器端编程

Linux多线程服务器端编程

目录

  • 源码链接。
  • muduo的编译安装.
  • 陈硕的编译教程。
  • bazel编译文件不能有中文路径。
  • 安装到指定目录:
    • /usrdata/usingdata/studying-coding/server-development/server-muduo/build/release-install-cpp11/lib/libmuduo_base.a.
  • 这本书前前后后看了三四遍，写得非常有深度，值得推荐。
  • 编译和安装.

线程安全的对象生命期管理

  • 利用shared_ptr和weak_ptr避免对象析构时存在的竞争条件(race conditon).

  • 当一个对象被多个线程同时看到，那么对象的销毁时机就会变得模糊不清，可能出现多种竞争条件(race condition).

  • 用RAII(Resource Acquire Is Initialization, 资源申请即初始化)封装互斥量的创建和销毁， MutexLock封装临界区(critical section), 资源管理类。

  • MutexLockGuard封装临界区的进入和退出，即加锁和解锁，MutexLockGuard一般是个栈上对象，它的作用域刚好等于临界区域。

  • 不可拷贝类.

    • 把copy构造函数和复制操作符声明为私有函数并不声明。
    • 在C++11中使用delete关键字，muduo采用了这种方式。
      namespace muduo
  {

  class noncopyable
  {
      public:
      noncopyable(const noncopyable&) = delete;
      void operator=(const noncopyable&) = delete;

      protected:
      noncopyable() = default;
      ~noncopyable() = default;
  };

  }  // namespace muduo

  • Linux的capability机制.

  • 对象构造要做到线程安全，唯一的要求是在构兆期间不要泄漏this指针。

    • 不要在构造函数中注册任何回调；(利用二段式构造(构造函数+initialization())，或直接调用register_函数)
    • 不要把在构造函数中把this传给跨线程的对象；
    • 即便在构造函数的最后一行也不行。(构造函数执行期间对象还没有完成初始化。)

对象的销毁线程比较难

  • 单线程对象析构要注意避免空悬指针和野指针。多线线程每个成员函数的临界区域不得重叠，而且成员函数用来保护临界区的互斥器本身必须是有效的。
  • 在析构函数中直接调用互斥器进行多线程的同步是不可取的，没有完全达到线程安全的效果。
  • 作为数据成员的mutex不能保护析构， 因为成员的生命周期最多与对象一样长，而析构动作可以发生在对象死亡之后。(调用基类析构函数时，派生类的析构函数已经被调用)
  • 析构函数本身不需要保护，因为只有别的线程都访问不到这个对象时，析构才是安全的。
  • 如果要锁住相同类型的多个对象，为了保证始终按相同的顺序加锁，可以比较mutex对象的地址，始终先加锁地址较小的mutex.(防止死锁)
  • 判断一个指针是不是合法指针没有高效的办法，这是C/C++指针问题的根源。
  • 调用正在析构对象的任何非静态成员函数都是不安全的，更何况是虚函数。
  • 指向对象的原始指针(raw pointer)最好不要暴露给别的线程。--- 一般用智能指针
  • 解决空悬指针的办法是，引入一层间接性。(handle/body惯用技法)
  • shared_ptr指针源码分析.
    • shared_ptr控制对象的生命期，是强引用，只要有一个指向x对象的shared_ptr存在，该x对象就不会析构，当指向对象x的最后一个shared_ptr析构或reset()调用时，x保证会被销毁。
    • weak_ptr不控制对象的生命期，但它知道对象是否还或者；
      • 如果对象还活着，weak_ptr可以提升为有效的shared_ptr；
      • 如果对象已经死了，提升失败，返回一个空的shared_ptr;
      • 提升函数lock()行为是线程安全的。
    • shared_ptr/weak_ptr的计数在主流平台上是原子操作，没有用锁，性能不俗。
  • 资源(包括复杂对象本省)都是通过对象(只能指针或容器)来管理，不要直接调用delete来删除资源。
  • shared_ptr本身的引用计数本身是线程安全的，但是读写操作不是原子化的。
  • shared_ptr技术与陷阱:
    • 如果不小心多进行了拷贝或赋值就会意外延长对象的生命周期。
    • 析构动作在创建时被捕获；
      • shared_ptr可以持有任何对象，而且能安全地释放。（析构动作可以定制）
    • 为了不影响关键线程的速度，可以用一个单独的线程来做shared_ptr对象的析构。
    • 要避免shared_ptr管理共享资源时引起的循环引用，通常做法是owner持有指向child的shared_ptr，child持有指向owner的weak_ptr.
    • shared_ptr的析构函数可以有一个额外的模板类参数，传入一个函数指针或反函数d，在析构对象时执行d(ptr)，其中ptr是shared_ptr保存的对象指针。
    • 弱回调技术会在事件通知中会非常有用。

线程同步精要

  • 线程同步的四原则:
    • 首要原则是尽量最低限度地共享对象，减少需要同步的场合。
    • 其次使用高级的并发编程构建(TaskQueue, Producer-Consumer Queue, CountDownLatch(倒计时)).
    • 最后不得已必须使用底层同步原语(promitives)时，只用非递归的互斥器和条件变量，慎用读写锁，不要用信号量。
      • 使用非递归(non-recursive)互斥量可以把程序错误尽早地暴露出来。
    • 除了使用atomic整数之外，不自己编写lock-free代码，也不要用内核级的同步原语。
  • 如果坚持Scoped Locking，那么出现死锁的时候就很容易定位。
    • gdb ./self_deadlock core --- 调试定位死锁。
    • __attribute__可以用来防止函数inline内联展开。
  • 条件变量(condition variable): 一个或多个线程等待某个布尔表达式为真，即等待别的线程唤醒它。
    • 条件变量的学名叫作管程(monitor);
    • 必须和mutex一起使用， 该布尔表达式的读写受此mutex保护。
    • 在mutex已上锁的时候才能调用wait().
    • 把判断布尔条件和wait()放到while循环中。
    • 虚假唤醒(spurious wakeup)：
  • 倒计时(CountDownLatch)是一种常用且易用的同步手段，主要用途:
    • 主线程等待多个子线程完成初始化；
    • 多个子线程等待主线程发起起跑命令。
    • 使用CountDownLatch使程序逻辑更清楚。
  • pthread_onece保证函数只执行一次。
  • sleep并不是同步原语。
    • 如果需要等待一段已知的时间，应该往event loop里注册一个timer，然后在timer的回调函数里接着干活，因为线程是个珍贵的资源，不能轻易浪费(阻塞也是浪费)。

借shared_ptr实现写时拷贝(copy-on-write)

  • 写时如果引用计数大于1，该如何处理?
  • 用普通的mutex替换读写锁。
  • 大多数情况下更新都是在原来数据上进行的，拷贝的比例还不到1%.

多线程服务器的适用场合与常用编程模型

  • 进程(process)是操作系统里最重要的两个概念之一(另一个是文件)，一个进程就是内存中正在运行的程序。
  • 每个进程有自己独立的地址空间(adress space), 在同一个进程还是不在同一个进程是系统功能划分的重要决策。
  • 把一个进程比喻成一个人，周期性的心跳判断对方是否还活着。
    • 容错 --- 万一有人突然死了。
    • 扩容 --- 新人中途加进来。
    • 负载均衡 --- 把甲的活挪给乙做。
    • 退休 --- 甲要修复Bug, 先别派新任务，等他做完手上的活就把他重启。
  • 线程的特点是共享地址空间，从而可以高效地共享数据。
    • 多进程可以高效地共享代码段，但是不能共享数据。
    • 多线程可以高效地发挥多核的效能。(单核，按照状态机编程思想比较高效)

单线程服务器的常用编程模型

  • “nonblocking IO + IO multiplexing(非阻塞IO + IO 多路复用)”， 即Reactor模式(反应堆模式)。
    • lighttpd， 单线程服务器(Nginx与之类似，每个工作进程有一个事件循环(event loop)).
    • libevent, libev.
    • ACE, Poco C++ Libaries.
    • Java NIO， 包括Aache Mina 和 Netty.
    • POE(Perl).
    • Twisted(Python).
  • “nonblocking IO + IO multiplexing(非阻塞IO + IO 多路复用)”， 即Reactor模式(反应堆模式)的基本结构是一个事件循环:
    • 以事件驱动和事件回调的方式实现业务逻辑。
    • Reactor模式(Linux采用epoll机制)对于IO密集的应用是一个不错的选择。
    • 巧妙地使用fdevent结构。
    • 基于事件驱动的编程模式的本质缺点是: 要求事件回调函数必须是非阻塞的，容易割裂业务逻辑，将其散布于各个回调函数中。

多线程服务器的常用编程模型

  • 每个请求创建一个线程，使用阻塞式IO操作(可伸展性不佳)。

  • 使用线程池。

    • 阻塞的任务队列(blocking queue TaskQueue)。
    • Intel Threading Building Blocks的concurrent_queue性能比较好。
    • 线程池(thread pool)用来做计算， 可以用任务队列或者是生产者消费者队列实现。

  • 使用nonblocking IO + IO multiplexing(非阻塞IO + IO 多路复用)。

    • 每个IO线程有一个event loop(或者叫Reactor)用于处理读写和定时事件。
    • 对实时性要求高的连接(connection)可以单独使用一个线程。
    • 数据量大的连接可以独占一个线程，并把数据处理任务分摊到另几个计算线程中(用线程池)。
    • 其他辅助性的连接可以共享一个线程。

  • Leader/Follower等高级模式。

  • 进程间通信:

    • 匿名管道(pipe);
      • 用来异步唤醒select(或等价的poll或epoll_wait)调用。
    • 具名管道(FIFO)；
    • POSIX消息队列；
    • 共享内存；
      • 共享内存是消息协议，a进行填好一块内存让b进程来读，基本上是停等方式(stop wait).
    • 信号(signals)；
    • 套接字(socket)，一般用TCP, 不考虑domain协议和UDP(可以跨主机，具有伸缩性)。
      • TCP是双向的，管道pipe是单向的(进程间双向通信需要打开两个文件描述符，父子进程才能用pipe).
      • 套接字由一个进程独占，且操作系统会自动回收(关闭文件描述符时)。
      • 套接字是端口是独占的，可以防止程序重复启动。
      • 可以用tcpcopy工具进行压力测试。
      • TCP是字节流协议，只能顺序读取，有写缓冲区;
      • RPC/HTTP/SOAP上层通信协议都是用的TCP网络层协议。

  • 同步原语(synchronization primitives)：

    • 互斥器(mutex);
    • 条件变量(condition variable);
    • 读写锁(reader-writer lock)；
    • 文件锁(recode locking);
    • 信号量(semaphore)

分布式系统中使用TCP长连接通信

  • 分布式系统是由运行在多台机器上的多个进程组成的，进程间采用TCP长连接通信(建立连接后不会立即关闭)。

  • 在实现每一类服务器进程时，在必要时可以通过多线程提高性能。

  • 对整个分布式系统，要做到能scale out， 即享受增加机器带来的好处。

  • TCP长连接的好处:

    • 容易定位分布式系统中服务之间的依赖关系。 --- netstat -tpna | grep :port
      • 客户端用netstat或lsof找到那个进程发起的连接。
    • 通过接收和发送队列的长度也较容易定位网络或程序故障。 --- netstat -tn观察Recv-Q和Send-Q的变化情况。

  • Event Loop(事件循环): 事件循环的最明显的缺点是非抢占的(non-preemptive)， 可能会发生优先级发转(通过多线程克服)。

  • 多线程的使用适用场合:

    • 提高响应速度，让IO和计算相互重叠，降低latency.

  • 多线程不能提高并发度(并发连接数)。

  • 多线程也不能提高吞吐量，但多线程能够降低响应时间。

  • 线程池的经验公式 T=C/P(一个有C个CPU, 密集计算所占的时间比重为P( 0 < P <= 1)).

  • 如果一次请求响应中要和别的进程打多次交道，那么Proactor模型往往能做到更高的并发度。

  • Proactor模式依赖操作系统或库来高效地调度这些子任务，每个子任务都不会阻塞，因此能用比较少的线程达到很高的IO并发度。

  • Proactor能提高吞吐量，但不能降低延迟。

C++多线程系统编程精要

  • 多线程编程面临的最大思维方式的转变有两点:
    • 当前线程可能随时会被切换出去，或者说被抢占(preempt)了。
    • 多线程程序中，事件的发生顺序不再有全局同喜的先后关系。
  • 多线程程序的正确性不能依赖于任何一个线程的执行速度，不能通过原地等待(sleep())来假定其他线程的时间已经发生，而必须通过适当的同步来让当前线程能看到其他线程的时间的结果。
  • 线程(thread)，互斥量(mutex),条件变量(condition)这三个线程原语可以完成任何多线程任务。
  • 内存序(memory ordering),内存模型(memory model)，内存能见度(memory visibility)。
    • Linux系统本身是可以被抢占的(preemptive).
    • errno是一个全局变量。
    • 不用担心系统调用的线程安全性，因为系统调用对用户态程序来说是原子的。
      • 但系统调用对于内核态的改变可能影响其他线程
  • C++中的泛型函数一般都是线程安全的。C++ iostream不是线程安全的。
  • pthreads只能保证同一进程内，同一时刻的各个线程的id不同；不能保证同一进程先后过个线程具有不同的id.
  • 如果程序中不止一个线程，就很难安全地fork()了。
  • 在main()函数之前不应该启动线程，因为这会影响全局对象的安全构造。
    • 全局对象不能创建线程。
  • kill一个进程比杀死本地进程内的线程要安全得多。
  • 不要用共享内存和跨进程的互斥器等IPC, 因为这样仍然有死锁的可能。
    • Thread的析构不会等待线程结束。
    • 如果Thread对象的生命期短于线程，那么析构时会自动detach线程(僵死线程的感觉)，避免资源泄漏。
    • 程序中的线程创建最好能在初始化阶段全部完成，则程序是不必销毁的。
    • 最好不要通过外部杀死线程。
  • exit()可能导致析构对象时造成死锁。
  • 善用__thread关键字，但只能用于内置类型。
    • __thread变量是每个线程有一份独立实体，各个线程的变量值都互不干扰。
  • 多线程磁盘IO的一个思路是每个磁盘配一个线程，把所有针对此磁盘的IO挪到同一个线程，可以避免或者减少内核中的锁竞争。
    • 每个文件描述符只由一个线程操作。
  • Linux/Unix中， 信号(signal)与多线程可谓是水火不相容，信号打断了正在运行的线程控制权。
  • fork()之后, 子进程几乎继承父进程的所有状态，但子进程不会继承:
    • 父进程的内存锁: mlock,mlockall.
    • 父进程的文件锁: fcntl.
    • 父进程的某些定时器，setitimer,alarm,timer_create等(man 2 fork).
  • 多线程和fork协作很差，fork一般不能在多线程程序中调用，因为Linux中的fork只会克隆当前线程的线程控制权，不克隆其他线程。
    • fork之后，除了当前线程之外，其他线程都消失了。
    • 调用fork后，立即调用exec()执行另一个程序，彻底隔断子进程与父进程的联系。

高效的多线程日志

  • 日志可以分为两类:
    • 诊断日志(diagnostic log), 用于故障诊断和追踪(trace), 也可用于性能分析。
      • 每条日志都要有对应的时间戳。
      • 生产者-消费者模型: 对生产者(前端)而言，要尽量做到低延迟、低CPU开销、无阻塞；对消费者(后端)而言，要做到足够大的吞吐量，并占用较少的资源。
      • 整个程序最好使用相同的日志库(库程序和主程序)。 --- 日志库最好是一个单例(singleton).
    • 交易日志(transaction log), 用于记录状态变更，通过回放日志可以逐步恢复每一次修改的状态。

日志功能的需求

  1. 日志消息有多种级别(level): TRACE, DEBUG, INFO, WARN, ERROR,FATAL等。
  2. 日志消息的格式可配置(layout)。
  3. 日志消息可能有多个目的地(appender)，如文件、socket，SMTP等。
  4. 可以设置运行时过滤器(filter)，控制不同组件的日志消息的级别和目的地。
  5. 日志的输出级别需要在运行时进行动态调整(不需要重新编译，也不要重新启动进程)。
  • muduo库只要调用muduo::Logger::setLogLevel()就能即时生效。
  1. 分布式系统中，日志的目的地(destination)只有一个: 本地文件。
    • 因为诊断日志的功能之一就是诊断网络故障:
      • 链接断开(网卡或交换机故障)；
      • 网络暂时不通(若干秒之内没有心跳消息)；
      • 网络拥塞(消息延迟明显加大)等。
    • 也应该避免往网络文件系统(NFS)上写日志。

  • 日志回滚(rolling):

    • 回滚(rolling)通常具有两个条件:
      • 文件大小(如写满1GB就换下一个文件)；
      • 时间(如每天零点新建一个日志文件，不论前一个文件有没有写满)。

  • 日志文件压缩和归档(archive)不是日志库应有的功能，应该交给专门的脚本去做。

  • 定期(默认3秒)将缓冲区内的日志消息flush到硬盘；

  • 每条内存中的日志消息都带有cookie（或者叫哨兵值/sentry）,其值为某个函数地址，通过core dump查找cookie就能找到尚未来得及写入磁盘的消息。

  • muduo库的优化措施:

    • 时间戳字符串中的日期和时间两部分是缓存的，一秒内的多条日志只需要重新格式化微妙部分。
    • 日志消息的前4个字段是定长的，避免在运行期求字符串长度。
    • 线程id是预格式化为字符串，在输出日志消息时只需简单拷贝几个字节。
    • 文件名basename采用编译期计算。

多线程异步日志

  • 多线程写多个文件也不一定会提速，所以尽量一个进程的多线程写一个文件。

    • 用一个背景线程负责收集日志消息，并写入日志文件，其他线程只管往这个日志线程发送日志消息，这称为"异步消息"("非阻塞日志")。

  • 在正常的实时业务处理流程中应该测底避免磁盘IO。

  • muduo日志库采用双缓冲技术(double buffering):

    1. 准备两块buffer: A和B, 前端负责往A填数据(日志消息)，后端负责将buffer B的数据写入文件；
    2. 当buffer A写满之后，交换A和B，让后端将buffer A的数据写入文件，而前端则往buffer B填入新的日志消息，如此往复。
    • 这么做的好处是:
      • 新建日志消息的时候不必等待磁盘文件操作，也避免每条新日志消息都触发(唤醒)后端日志线程。
      • 即便buffer A未填满，日志库也会每3秒执行一次交换写入操作。
    • 坏处是: 前端消息速度(前端buffer写速度)要和buffer大小做好平衡，否则会出现后端写入磁盘还没有写完，前端的buffer就已经填满。

  • Java的ConcurrentHashmap那样用多个筒子(bucket)，前端写日志的时候再按线程id哈希到不同的bucket, 以减少竞争。

  • Linux默认会把core dump写到当前目录，而且文件名是固定的core。(sysctl可以进行设置core dump的一些参数)

muduo网络库简介

  • 高级语言(Java, Python等)Socket库并没有对Sockets API提供更高层的封装，直接调用很容易掉入到陷阱中；网络库的价值在于能方便地处理并发连接。
  • muduo使用了较新的系统调用(主要是timefd和eventfd),要求linux内核的版本大于2.6.28.
  • muduo是基于Reactor模式的网络库，其核心是个时间循环EventLoop, 用于响应计时器和IO事件。
  • muduo采用基于对象而非面向对象的设计风格，其事件回调接口多以boost::function+boost::bind表达。
  • muduo主要掌握关键的5个类: Buffer, EventLoop, TcpConnection, TcpClient, TcpSever.
    网络核心头文件.
    muduo的简化类图.
  • 一个文件描述符(file descriptor)只能由一个线程读写。
  • muduo支持非并发阻塞TCP网络编程，它的核心是每个IO线程一个事件循环，把IO事件分发到回调函数上。减少网络编程中的偶发复杂性(accidental complexity).
  • muduo擅长的领域是TCP长连接(建立连接后一直收发、处理数据)。

TCP网络编程最本质的是处理三个半事件:

  1. 连接的建立: 服务端成功接受(accept)新连接和客户端成功发起(connect)连接。
  2. 连接的断开: 包括主动断开(close、shutdown)和被动断开(read(2) 返回0)。
  3. 消息到达，文件描述符可读: 对它的处理决定了网络编程的风格(阻塞还是非阻塞，如何处理分包，应用层的缓冲如何设计等)。
  4. 消息发送完毕，这算半个: 发送完毕是指数据写入操作系统的缓冲区，将由TCP协议栈负责数据的发送与重传，不代表对方已经收到了数据。

在一个端口上提供服务，并且要发挥多核处理器的计算能力

  • 高性能httpd(httpd是一个开源软件，且一般用作web服务器来使用)普遍采用的是单线程Reactor方式。
    12种并发模型
  • 推荐的C++多线程服务端编程模式: one loop per thread + threadpool.
    • event loop 用作non-blocking IO和定时器。
    • threadpool用来做计算，具体可以是任务队列或生产者消费者队列。
  • 实用的5种方案，muduo支持后4种:
    实用的5种网络编程方案

muduo编程示例

  • daytime是短连接协议，在发送完当前时间后，由服务端主动断开连接。
  • 非阻塞网络编程必须在用户态使用接收缓冲区。
  • TcpConnection对象表示一次TCP连接，连接断开后不能重建，重试后连接的会是另一个TcpConnection对象。
  • Chargen协议很特殊，它只发送数据，不接收数据，而且，它发送数据的速度不能快过客户端接收的速度。
  • 在非阻塞网络编程种，发送消息通常是由网络库完成，用户代码不会直接调用write或send等系统调用。
  • TCP是一个全双工协议，同一个文件描述符即可读又可写，shutdownWrite()关闭了"写"方向的连接，保留了"读方向"的连接，这称为TCP半关闭(half-close).
    • 如果直接close(socket_fd), 那么sock_fd就不能读或写了。
      muduo关闭连接.
  • 在TCP这种字节流协议上做应用层分包是网络编程的基本需求。
    • 分包指的是在发生一个消息(message)或一帧(frame)数据时，通过一定的处理，让接收方能从字节流种识别并截取(还原)一个个消息。
    • 对于短连接，只要发送方主动关闭连接，分包不是一个问题。
    • 对于长连接，分包有四种方法:
      1. 消息长度固定。
      2. 使用特殊字符或者字符串作为消息的边界(如'\r\n')。
      3. 在每条消息的头部加一个长度字段(最常用的做法)。
      4. 利用消息本身的格式来分包(XML, JSON, 但歇息这种消息格式通常会用到状态机(state machine))。
  • non-blocking(非阻塞)IO的核心思想是避免阻塞在read()或write()或其他IO调用上，这样可以最大限度地复用thread-of-control, 让一个线程能服务于多个socket连接。
    • IO线程只阻塞在IO multiplexing(复用)函数上(如select/poll/epoll_wait等)。
  • muduo库采用的是水平触发(level trigger), 而不是边沿触发(edge trigger)。
    1. 为了与传统的poll兼容，在文件描述符较少，活动文件描述符比例较高时，epoll不见得比poll更高效。
    • 必要时可以在进程中切换Poller.
    1. 水平触发(level trigger)编程更加容易，不可能发生漏掉事件的bug.
    2. 读写的时候不必等候出现EAGAIN, 可以节省系统调用次数，降低延迟。
  • muduo所有的IO都是带有缓冲的IO(buffered IO)。
    • 在栈上准备一个65536字节的额外缓存(extrabuf), 利用readv来读取数据，iovec有两块，第一块指向muduo的Buffer中的可写字节，另一块指向extrabuf。
      • 数据不多，直接存到Buffer中，如果较多，剩余的放到extrabuf中进行缓存，然后再存到Buffer中。
  • send()是线程安全原子的，多个线程可以同时调用send()，消息之间不会混叠或交织。
  • FILE是一个在stdio.h中预先定义的一个文件类型.
    typedef struct{
  short level;              /*缓冲区“满/空”的程度*/
  unsigned flags;           /*文件状态标志字*/
  char fd;
  unsigned char hold;
  short bsize;              /*缓冲区大小*/
  unsigned char *buffer;    /*数据缓冲区的位置*/
  unsigned char *curp;      /*当前读写位置指针*/
  unsigned istemp;
  short token;
}FILE;
    • boost::any可以表示任意类型，所以boost::any用不了多态的特性。
  • pintf()函数是线程安全的，但std::cout<<不是线程安全的。
  • 解析数据往往比生成数据更加复杂。
  • 非阻塞读(nonblocking read)必须和input buffer一起使用，在接收方(decoder)一定要在收到完整的消息之后再retrieve(取出)整条消息。
  • Buffer其实就像是一个队列(queue), 从末尾写入数据，从头部读出数据。
    • Buffer内部是一个std::vector，它是一块连续的内存，参考netty的ChannelBuffer(prependable是微创新)。
      • 如果readIndex太靠右，就不会重新分配内存，而是把已有数据移动到前面，腾出writable空间。
      • 前方添加(prepend)：提供prependable空间，让程序能够以很低的代价在数据前面添加杰哥字节。
        buffer结构
    • muduo Buffer不是固定长度的，它可以自动增长(使用vector的好处)。
    • readIndex和writeIndex是整数(因为指针的话，在新建数组时会失效)。
    • Buffer没有自动shink, 数组只会越来越大。
      vector的好处
    • libevent 2.0.x的设计方案:
      • 实现分段连续的zero copy buffer再配合gather scatter IO(mbuf方案， Linux的sk_buff方案)，基本思路是不要求数据在内存中是连续的，而是用链表把数据连接到一起。
        zero_copy_buffer
    • muduo的设计目标之一是吞吐量能让千兆以太网饱和，每秒收发120MB的数据。

一种自动反射消息类型的Google Protobuf网络传输方案

  • Google Protocol Buffers(简称Protobuf)是一款非常优秀的库，它定义了一种紧凑的可扩展二进制消息格式，特别适合网络数据传输。
    protobuf反射自动创建message对象
    • 拿到Message*指针，不用知道它的具体类型，就能创建和其他类型一样的具体Message type的对象。
    • 通过DescriptorPool可以根据type name查到Descriptor*, 再调用DescriptorPool::findMessageTypeByName(const string& type_name)即可。
  • 使用步骤:
    1. 用DescriptorPool::generated_pool()找到一个DescriptorPool对象(它包含了编译时所连接的全部Protobuf Message types).
    2. 根据type name用DescriptorPool::FindMessageTypeByName()查找Descriptor.
    3. 再用MessageFactory::generated_factory()找到MessageFactory对象，它能创建程序编译的时候所链接的全部Protobuf Message types.
    4. 然后用MessageFactory::GetPrototype()找到具体Message type的default instance(默认实例)。
    5. 最后用prototype->New()创建对象。
      • 返回的是动态对象，调用方需要释放它，可以使用智能指针管理资源。(消息分发器dispatcher)
        protobuf的传输格式
  • java没有unsigned类型。protobuf一般用于打包小于1MB的数据。
    • adler32校验算法，计算量小，速度比较快，强度和CRC-32差不多。
    • Protobuf Message的一个突出有点是用optional fields来避免协议的版本号.
  • 只有再使用TCP长连接，并且在一个连接上传递不知一种消息的情况下，才需要打包方案。(还需要一个分发器，把不同类型的消息分给各个消息小狐狸函数)。
  • non-trivial的网络服务常旭通常会以消息为单位来通信，每条消息有明确的长度与界限。
    • codec(编解码器)的基本功能是TCP分包: 确定每条消息的长度，为消息划分界限。
      protobuf codec消息流程图
    • Protobuf RPC.
  • ProtobufCodec拦截了TcpConnection的数据，把它转换为Message, ProtobufDispatcher拦截了ProtobufCodec的回调函数(callback). 按照消息具体类型把它分派给多个callbacks.
    protobuf RPC
  • filedescriptor是稀缺资源，如果出现文件描述符(filedescriptor)耗尽，很棘手。
  • 处理空闲连接超时: 如果一个长连接长时间(若干秒)没有输入数据，就踢掉此连接。--- 用timing wheel解决。
  • 定时器(时间)：
    • 计时只使用gettimeofday(2)来获取当前时间。 --- 精度为1微妙。
    • 定时只使用timerfd_*系列函数来处理定时任务。
  • Netty是一个非常好的Java NIO网络库，带有流量统计功能的echo和discard服务端。
  • 两台机器的网络延迟和时间差(简单网络程序roundtrip).
    • NTP协议进行时间校准。
  • 应该用心跳消息来判断对方进程是否能正常工作，timing wheel(时间轮盘)避免空闲连接占用资源。
    • timing wheel只用检查第一个桶中的连接。
    • 层次化的timing wheel与hash timing wheel.
    • timing wheel中的每个格子是hash set，可以容纳不止一个连接。
    • 不会真的把一个连接从一个格子移动到另一个格子，而是采用引用计数的办法，用shared_ptr来管理Entry.
      • 如果连接接收到了数据，就把对应的EntryPtr放到这个格子里，引用计数为零，那么就析构掉(断开连接)。
  • 简单的消息广播服务:
    简单的消息广播服务
    • 可以增加多个Subscriber而不用修改Subscriber(分布式的观察者模式Observer pattern).
    • 应用层广播在分布式系统中用处很大。 --- 消息应该是snapshot, 而不是delta(现在比分是几比几，而不是谁刚才又得分了)。
    • ·sub<topic>\r\n, 表示订阅, 以后该topic有任何更新都会发给这个TCP连接。
      • Hub会把上最近的消息发给此Subscriber.
    • unsub<topic>\r\n, 表示退订.
    • pub<topic>\r\n<content>\r\n, 表示往发送消息，内容为.
    • 利用thread local的办法解决多线程广播的锁竞争。
  • 数据串并转换：
    • 连接服务器把多个客户连接汇聚为一个内部TCP连接，起到数据串并转换的作用，后端(backend)的逻辑服务器专心处理业务。
    • 分为四步:
      1. 当client connection到达或断开时，向backend发出通知。
      2. 当从client connection收到数据时，把数据连同connection id一同发给backend.
      3. 当从backend connection收到数据时，辨别数据是发给那个client connection，并执行相应的转发操作.
      4. 如果backend connection断开连接，则断开所有client connections(假设client会自动重试).
    • multiplexer的功能与proxy颇为相似。
  • 中继器(relay)主要把client与Server之间的通信内容记录下来(tcpdump的功能)。
    relay功能框图
    • Sockets API来实现TcpRelay，需要splice系统调用。
    • 需要考虑的问题:
      需要考虑的问题

短址服务

  • muduo HTTP服务器可以处理简单的HTTP请求，也可以用来实现一个简单的短URL转发服务。

  • 一种真正高效的优化手段是修改Linux内核，例如Google的SO_REUSEPORT内核补丁。

  • muduo的Channel class类，可以把其他一些现成的网络库融入muduo的event loop中。

    • Channel class是IO事件回调的分发器(dispatcher), 它在handleEvent()中根据事件的具体类型分别回调ReadCallback, WriteCallback等。
    • 每个Channel对象服务于一个文件描述符，但并不拥有fd, 在析构函数中也不会close(fd).
    • Channel与EventLoop的内部交互有两个函数：
      • EventLoop::updateChannel(Channel*);
      • EventLoop::removeChannel(Channel*).
      • 客户需要在Channel析构前自己调用Channel::remove().

  • libcurl是一个常用的HTTP客户端库，可以方便地下载HTTP和HTTPS数据。

  • muduo提供Channel::tie(const boost::shared_ptr&)这个函数，用于延长某些对象的生命期，使其寿命长过Channel::handleEvent()函数。

  • POSIX操作系统总是选用当前最小可用的文件描述符。

muduo库设计与实现

  • EventLoop的析构函数会记住本对象所属的线程(threadId_), 创建了EventLoop的线程是IO线程。
    • 其主要同能时运行事件循环EventLoop::loop().
    • EventLoop对象的生命期通常和其所属的线程一样长，不必是heap对象。
  • Reactor的关键结构: Reactor 最核心的事件分发机制，即将IO multiplexing拿到的IO事件分发给各个文件描述符(fd)的事件处理函数。
  • Channel的成员函数都只能在IO线程调用，因此更新数据成员都不必加锁。
    reactor 流程图
    poll框架
  • TcpConnection简单的状态图:
    TcpConnection简单的状态图
  • SIGPIPE的默认行为时终止进程，在网络编程中，意味着如果对方断开连接而本地继续写入的话，会造成服务进程意外退出。
  • TCPNoDelay和TCPkeepalive都是常用的TCP选项:
    • TCPNoDelay的作用是禁用Nagle算法，避免连续发包出现延迟，对编写低延迟网络服务很重要。
    • TCPkeepalive是定期检查TCP连接是否还存在，如果有应用层心跳，TCPkeepalive不是必须的，但一般需要暴露其接口。
  • 用one loop per thread的思想多线程TcpServer的关键步骤是在新建TcpConnection时从event loop pool里挑选一个loop给TcpConnection用.
  • 在并发连接较大而活动连接比例不高时, epoll比poll更有效.
  • 右值引用(rvalue reference)有助于提高性能与资源管理的便利性。

分布式系统工程实践

  • 分布式系统设计以进程为基本单位.
  • 不要把时间浪费在解决错误的问题，应集中精力应付更本质的业务问题。
  • 只用TCP为进程间通信，因为进程一退出，连接与端口自动关闭；而且无论连接的哪一方断连，都可以重建TCP连接，恢复通信。
  • 分布式系统中心跳协议的设计：
    • 心跳除了说明应用程序还活着(进程还在，网络畅通), 更重要的是表明应用程序还能正常工作。
    • TCP keepalive由操作系统负责探查，即便进程死锁或阻塞，操作系统也会如常收发TCP keepalive消息。对方无法得知这一异常。
    • 一般是服务端向客户端发送心跳。
    • Sender和Receiver的计时器是独立的。
    • 心跳协议的内在矛盾: 高置信度与低反应时间不可兼得。
    • timeout的选择要能容忍网络消息延时波动和定时器的波动。
      心跳协议
      • 发送周期和检查周期均为\(T{_C}\), 通常可取\(timeout=2T{_C}\).
    • 心跳应该包含发送方的标识符，也应包含当前负载，便于客户端做负载均衡。
    • 考虑闰秒的影响，尤其在考虑容错协议的时候。
    • 心跳协议的实现上有两个关键的点（防止伪心跳）:
      • 要在工作线程中发送，不要单独起一个心跳线程。
      • 与业务消息用同一个连接，不要单独用心跳连接。
  • 分布式系统没有全局瞬时的状态，不存在立刻判断对方故障的方法，这是分布式系统的本质困难。
  • 端口只有6万多个，是稀缺资源，在公司内部也有分配完的一天，一般到高级阶段会采用动态分配端口号。
  • 如果客户端与服务端之间用某种消息中间件来回转发消息，那么客户端必须通过进程标识符才能识别服务端。
    • 设置SO_REUSEADDR, 为了快速重启。
    • linux的pid的最大默认值是32768。
    • 用四元组ip::port::tart_time::pid作为分布式系统中进程的gpid, 其中start_time是64-bit整数，表示进程的启动时刻(UTC时区)。
  • 在服务程序内置监控接口的必要性；HTTP协议的便利性。
  • Hadoop有四种主要services：NameNode，DataNode, JobTracker和TaskTracker.
    • 每种service都内置了HTTP状态页面。
  • 在自己辩词额分布式程序的时候，提供一个维修通道是很有必要的，它能帮助日常运维，而且在出现故障的时候帮助排查。
  • 如果不在程序开发的时候统一预留一些维修通道，那么运维起来就抓瞎了 --- 每个进程都是黑盒子，出点什么情况都得拼命查log试图(猜想)进程的状态，工作效率不高。
  • 使用跨语言的可扩展消息格式。
    • 可扩展消息格式的第一条原则是避免协议的版本号。
  • protobuf的可选字段(optional fields)就解决了服务端和客户端升级的难题。
    • proto文件就像C/C++动态库的头文件，其中定义的消息就是库(分布式服务)的接口，一单发布就不能做有损二进制兼容性的修改。
  • 分布式程序的自动化回归测试:
    • 自动化测试的必要性：
      • 自动化测试的作用是把程序已经事项的features以test case的形式固话下来，将来任何代码改动如果破坏了现有功能需求就会触发测试failure.
      • 单元测试(unit testing)： 主要测试一个函数、一个类(class)活着相关的几个class。
        • 单元测试的缺点:
          • 阻碍大型重构，单元测试是白盒测试，测试代码直接调用被测试代码，测试代码和被测试代码紧耦合。
          • java有动态代理，还可以用cglib来操作字节码以实现注入。
          • 网络连接不上，数据库超时，系统资源不足等都无法测试。
          • 单元测试对多线程程序无能为力
    • 分布式系统测试的要点:
      • 测试进程间交互。
      • 用脚本来模拟客户，自动化地测试系统的整体运作情况，作为系统的冒烟测试。
      • 一个分布式系统就是一堆机器，每台机器的"屁股"上拖着两根线:电源线和网线(不考虑SAN等存储设备)。
        分布式架构
  • 千兆网的吞吐量不太于125MB/S. --- 只要能让千兆网的吞吐量饱和或接近饱和，那么编程语言就无所谓了。
  • Hadoop的分布式文件系统HDFS的架构简图:
    HDFS
    • HDFS有四个角色参与其中: NameNode（保存元数据）、DataNode（存储节点，多个）、Secondary NameNode（定期写check point）、Client(客户，系统的使用者)。
    • 这些进程运行在多态机器上，之间通过TCP协议互联。但一个程序其实不知道与自己打交道的到底是什么。
  • Test harness（独立的进程），模冒(mock)了与被测进程打交道的全部程序。
    回归测试方案
  • 压力测试，test harness少加改进还可以变功能测试为压力测试, 公程序员profiling用。
    • 发复不间断发送请求，向被测程序加压，用C++写一个负载生成器。
  • 单独的进程作为test harness对于开发分布式程序相当有帮助，它能达到单元测试的自动化程度和细致程度，又避免了单元测试对功能代码结构的侵入与依赖。

分布式系统部署、监控与进程管理的几重境界

  • 以Host指代服务器硬件。
  1. 境界1: 全手工操作，过家家级别，系统时灵时不灵，可以跑跑测试，发发parper.
  2. 境界2: 使用零散的自动化脚本和第三方组件
  • 公司的开发中心放在实现核心业务，天健新功能方面，暂时还顾不上高效的运维。
  • host的IP地址由DHCP配置，公司的软硬件配置比较统一。
  • 使用cron、at、logrotate、rrdtool等标准的Linux工具来将部分运维任务自动化.
    • QA签署后部署(md5), md5sum检查拷贝之后的文件是否与源文件相同。
    • Monit开源工具进行监控(内存、CPU、磁盘空间、网络带宽等)。
    • netstart-tpn | grep port(端口号)查询哪些用到了程序。
  1. 境界3: 自制机制管理系统，几种化配置
    境界3
  2. 境界4: 机群管理与nameing service结合：
  • naming service的功能是把一个service_name解析成list of ip:port，比方说，查询"sudo_solver"，返回host1:9981、host2：9981、host3:9981.
  • naming_servive与DNS最大的不同在于它能把新的地址信息推送给客户端。
  • gethostbyname()和getaddrinfo()解析DNS是阻塞的(除非使用UDNS等异步DNS库)，在大规模分布式系统中DNS的作用不大，宁愿花时间实现一个naming service，并为它编写name resolve library.

C++编译链接模型精要

  • C++语言的三大约束: 与C兼容、零开销(zero overhead)原则、值语义。
  • 查看编译时打开的文件命令: strace -f -e open cpp hello.cc -o /dev/null 2>&1 |grep -v ENONT|awk {'print $3'}
  • C++也继承了单遍编译的约束，Java编译器不受单遍编译的约束，调整成员函数的顺序不会影响代码语义。
  • 按照C++模板的局限话规则，编译期会为每一个用到的类模板成员函数具现化一份实例。
  • 在现在的C++实现中，虚函数的动态调用(动态绑定、运行期决议)是通过虚函数表(vtable)进行的，每个多态class都应该有一根vtable.
    • 定义或继承了虚函数的对象中会有一个隐含成员:指向vtable的指针，即vptr。
    • 在构造和析构对象的时候，编译期生成的代码会修改这个vptr成员，这就要用到vtable的定义(使用其地址)。
  • 源码编译才是王道。
  • 实用当头，朴实为贵，好用才是王道。
  • 避免使用虚函数作为库的接口。
  • 以boost::function和boost::bind取代虚函数。
posted @ 2019-06-04 20:11  coding-for-self  阅读(6589)  评论(0)  编辑  收藏  举报