Memcached源码解析--多线程网络模型

一、网络模型
        Memcache网络底层采用的Libevent，其网络模型就是大名鼎鼎的半同步半异步。关于Libevent可以参看我之前写的一篇拙文《Libevent源码解析--事件处理框架》，半同步半异步可以看。
        在阅读本文前，建议先阅读《Libevent源码解析--事件处理框架》，这样很多概念便于理解，很多组件或术语在这儿不再赘述。

二、多线程模型
1、关键结构
        老规矩，先介绍下关键的数据结构：
        （1）CQ_ITEM
        CQ_ITEM定义在Thread.c/21行，具体如下：
        typedef struct conn_queue_item CQ_ITEM;
        struct conn_queue_item {
                int               sfd;
                enum conn_states  init_state;
                int               event_flags;
                int               read_buffer_size;
                enum network_transport     transport;
                CQ_ITEM          *next;
        };
        可以将这个结构体看着是主线程accept触发时即有客户端连入时，主线程写入工作线程有关socket连接相关句柄数据结构，绑定了socket描述符、状态、发生的事件、读buffer大小等，看着解释应该不难对号入座吧。
        （2）CQ
        conn_queue定义在Thread.c/33行，具体如下：
        typedef struct conn_queue CQ;
        struct conn_queue {
            CQ_ITEM *head;
            CQ_ITEM *tail;
            pthread_mutex_t lock;
            pthread_cond_t  cond;
        };
        这是socket连接通知队列，这句都看不明白的打PP。
        （3）LIBEVENT_THREAD
        LIBEVENT_THREAD定义在Memcached.h/351行，具体如下：
        typedef struct {
                pthread_t thread_id;        /* unique ID of this thread */
                struct event_base *base;    /* libevent handle this thread uses */
                struct event notify_event;  /* listen event for notify pipe */
                int notify_receive_fd;      /* receiving end of notify pipe */
                int notify_send_fd;         /* sending end of notify pipe */
                struct thread_stats stats;  /* Stats generated by this thread */
                struct conn_queue *new_conn_queue; /* queue of new connections to handle */
                cache_t *suffix_cache;      /* suffix cache */
                uint8_t item_lock_type;     /* use fine-grained or global item lock */
        } LIBEVENT_THREAD;
        可以将这个结构体看着是线程句柄数据结构，绑定了线程ID、Libevent实例、用于通知管道的event、通知接收的socket描述符，通知发送的socket描述符、socketl连接通知队列，这也很好对号入座吧。
        （4）conn
        conn定义在Memcached.h/371行，具体如下：
        typedef struct conn conn;
        struct conn {
            int    sfd;
            ...
            struct event event;
            short  ev_flags;
            short  which;   /** which events were just triggered */
            ...
            LIBEVENT_THREAD *thread; /* Pointer to the thread object serving this connection */
        };
        这个结构非常庞大，提取关键的几个字段来分析一下， 可以将这个结构体看着是socket连接句柄数据结构，绑定了socket描述符、触发的事件、处理连接的线程指针等，这个也很好对号入座吧。
2、整体流程       
       整体流程如下图：

图1 整体流程

        （1）在main函数中调用main_base = event_init()来初始化主线程Libevent实例（Memcached.c/5125）。
        （2）在main函数中调用thread_init（Thread.c/772）来初始化工作线程(Memcached.c/5142)，并将主线程Libevent实例作为参数传入。 
        （3）在thread_init函数中为指定数量的工作线程分配内存（Thread.c/810行），为每个线程创建管道（Thread.c/821行），并分别绑定到通知收（Thread.c/826行）和发（Thread.c/827行）的socket描述符上，调用函数setup_thread初始化线程信息（Thread.c/328行），调用函数create_worker为每个线程注册回调函数（Thread.c/301行）。关键代码秀一下：
        for (i = 0; i < nthreads; i++) {
                int fds[2];
                if (pipe(fds)) {
                        ...
                }

                threads[i].notify_receive_fd = fds[0];
                threads[i].notify_send_fd = fds[1];

               setup_thread(&threads[i]);
               ...
        }

        /* Create threads after we've done all the libevent setup. */
        for (i = 0; i < nthreads; i++) {
            create_worker(worker_libevent, &threads[i]);
        }

        （4）在setup_thread函数中，为工作线程初始化Libevent实例（Thread.c/329行），为主线程通知读（notify_receive_fd）注册回调函数thread_libevent_process（Thread.c/336行），初始化cq队列（Thread.c/350行），关键代码如下：
        static void setup_thread(LIBEVENT_THREAD *me) {
                me->base = event_init();
                ...
                /* Listen for notifications from other threads */
                event_set(&me->notify_event, me->notify_receive_fd,
                          EV_READ | EV_PERSIST, thread_libevent_process, me);
                event_base_set(me->base, &me->notify_event);

                if (event_add(&me->notify_event, 0) == -1) {
                        ...
                }

                me->new_conn_queue = malloc(sizeof(struct conn_queue));
                ...
                cq_init(me->new_conn_queue);
                ...
        }
        （5）在thread_libevent_process函数中，读取主线程发送的通知接收消息（Thread.c/398行），将主线程accept来的fd注册到工作线程的Libevent实例中（Thread.c/407行），主线程accept来的fd从conn_queue队列获取（Thread.c/404行），关键代码如下：
        static void thread_libevent_process(int fd, short which, void *arg) {
                LIBEVENT_THREAD *me = arg;
                CQ_ITEM *item;
                char buf[1];

                if (read(fd, buf, 1) != 1)
                        ...

                switch (buf[0]) {
                case 'c':
                item = cq_pop(me->new_conn_queue);

                if (NULL != item) {
                        conn *c = conn_new(item->sfd, item->init_state, item->event_flags,
                                                        item->read_buffer_size, item->transport, me->base);
               ...
                }
        }
        （6）在函数conn_new中，创建conn句柄（Memcached.c/358行），为句柄注册回调函数event_handler处理事件（Memcached.c/452行），将该句柄作为参数传入回调函数并设置到Libevent中（Memcached.c/453行），该函数的关键代码如下：
        conn *conn_new(const int sfd, enum conn_states init_state,
                        const int event_flags,
                        const int read_buffer_size, enum network_transport transport,
                        struct event_base *base) {
            conn *c = conn_from_freelist();

            if (NULL == c) {
                if (!(c = (conn *)calloc(1, sizeof(conn)))) {
                        ...
            }
           ...
           event_set(&c->event, sfd, event_flags, event_handler, (void *)c);
           event_base_set(base, &c->event);
           c->ev_flags = event_flags;

           if (event_add(&c->event, 0) == -1) {
                  ...
           }
           ...
        }
        （7）在create_worker函数中，创建工作线程并注册回调函数（Thread.c/308行），在工作线程的回调函数work_libevent中，开始Libevent主循环（Thread.c/384行）。
        （8）在main函数中，调用函数server_sockets（Memcached.c/5199行），再调用函数server_socket（Memcached.c/4299行），进而调用函数new_socket（Memcached.c/4164行），在调用函数conn_new（Memcached.c/4252行），创建并注册listen fd到主线程Libevent实例上，最后开始Libevent主循环即event_base_loop（Memcached.c/5228行）。在conn_new函数关键代码见步骤（6）
        （9）在event_handler函数中，调用函数drive_machine（Memcached.c/4065行），在该函数中处理所有事件，其关键代码如下：
        static void drive_machine(conn *c) {
                ...

                while (!stop) {

                    switch(c->state) {
                        case conn_listening:
                                addrlen = sizeof(addr);
                                if ((sfd = accept(c->sfd, (struct sockaddr *)&addr, &addrlen)) == -1) {
                                       ...                                      
                                }
                               ...
                               if (settings.maxconns_fast &&
                                    stats.curr_conns + stats.reserved_fds >= settings.maxconns - 1) {
                                        ...
                               } else {
                                    dispatch_conn_new(sfd, conn_new_cmd, EV_READ | EV_PERSIST,
                                             DATA_BUFFER_SIZE, tcp_transport);
                              }

                            stop = true;
                            break;
                            ...
                        }
                    }

                return;
        }
        在处理事件时，如果是listening事件，则调用函数dispatch_conn_new（Memcached.c/3785行）将accept fd分配给工作线程。
        （10）在dispatch_conn_new函数中，根据round-robin算法（Thread.c/450行）将新连接push到所分配线程（Thread.c/452行）的CQ队列中（Thread.c/462行），并通过管道发送通知消息“c”（Thread.c/466行），关键代码如下：
        void dispatch_conn_new(int sfd, enum conn_states init_state, int event_flags,
                               int read_buffer_size, enum network_transport transport) {
                    CQ_ITEM *item = cqi_new();
                    char buf[1];
                    int tid = (last_thread + 1) % settings.num_threads;

                    LIBEVENT_THREAD *thread = threads + tid;

                    last_thread = tid;

                    ...

                    cq_push(thread->new_conn_queue, item);
                    ...
                    buf[0] = 'c';
                    if (write(thread->notify_send_fd, buf, 1) != 1) {
                        perror("Writing to thread notify pipe");
                    }
        }

        dispatch_conn_new函数只在主线程中调用，last_thread为静态变量，每次将该变量值+1，再模线程数来选择工作线程。
3、线程模型
        Libevent本身是单线程的，Memcached采用消息通知+同步层机制使得其支持多线程，整体模型见如下神图：

图2 线程模型

        上图是流传已经的神图，先拿来主义，源码见前面剖析部分，不再重复，图中也描述得很详细，归纳起来就如下：
        每个线程包括主线程都各自有独立的Libevent实例，Memcached的listen fd注册到主线程的Libevent实例上，由主线程来accept新的连接，接受新的连接后根据Round-robin算法选择工作线程，将新连接的socket fd封装为CQ_ITEM后push到所选工作线程的CQ队列中，然后主线程（notify_send_fd）通过管道发送字符“c”到工作线程（notify_receive_fd），而notify_receive_fd已经注册到工作线程的Libevent实例上了，这样工作线程就能收到通知“c”，然后从该工作线程的CQ队列中pop出CQ_ITEM进而取出新连接并将fd注册到工作线程的Libevent实例上，从而由工作线程来处理该连接的所有后续事件。

        需要注意的数据：Memcached默认开启线程数为4（Memcached.c/216行），也可以通过参数-t来指定开启线程数（Memcached.c/4865行），当线程数大于64时会给出错误提示（Memcached.c/4874行），建议线程数为小于或等于CPU核数。