淺談linux下C++ 協程與網絡編程

協程

協程,即協作式程序,其思想是,一系列互相依賴的協程間依次使用CPU,每次只有一個協程工作,而其他協程處於休眠狀態。協程可以在運行期間的某個點上暫停執行,並在恢復運行時從暫停的點上繼續執行。 協程已經被證明是一種非常有用的程序組件,不僅被python、lua、ruby等腳本語言廣泛採用,而且被新一代面向多核的編程語言如golang rust-lang等採用作為併發的基本單位。 協程可以被認為是一種用戶空間線程,與傳統的線程相比,有2個主要的優點:

  • 與線程不同,協程是自己主動讓出CPU,並交付他期望的下一個協程運行,而不是在任何時候都有可能被系統調度打斷。因此協程的使用更加清晰易懂,並且多數情況下不需要鎖機制。
  • 與線程相比,協程的切換由程序控制,發生在用戶空間而非內核空間,因此切換的代價非常小。

網絡編程模型

首先來簡單回顧一下一些常用的網絡編程模型。網絡編程模型可以大體的分為同步模型和異步模型兩類。

  • 同步模型:

同步模型使用阻塞IO模式,在阻塞IO模式下調用read等IO函數時會阻塞線程直到IO完成或失敗。

同步模型的典型代表是thread per connection模型,每當阻塞在主線程上的accept調用返回時則創建一個新的線程去服務於新的socket的讀/寫。這種模型的優點是程序簡潔,編寫簡單;缺點是可伸縮性收到線程數的限制,當連接越來越多時,線程也越來越多,頻繁的線程切換會嚴重拖累性能。

  • 異步模型:

異步模型一般使用非阻塞IO模式,並配合epoll/select/poll等多路復用機制。在非阻塞模式下調用read,如果沒有數據可讀則立即返回並通知用戶沒有可讀(EAGAIN/EWOULDBLOCK),而非阻塞當前線程。異步模型可以使一個線程同時服務於多個IO對象。

異步模型的典型代表是reactor模型。在reactor模型中,我們將所有要處理的IO事件註冊到一个中心的IO多路復用器中(一般為epoll/select/poll),同時主線程阻塞在多路復用器上。一旦有IO事件到來或者就緒,多路復用器返回並將對應的IO事件分發到對應的處理器(即回調函數)中,最後處理器調用read/write函數來進行IO操作。

異步模型的特點是性能和可伸縮性比同步模型要好很多,但是其結構複雜,不易於編寫和維護。在異步模型中,IO之前的代碼(IO任務的提交者)和IO之後的處理代碼(回調函數)是割裂開來的。

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協程與網絡編程

協程為克服同步模型和異步模型的缺點,並結合他們的優點提供了可能: 現在假設我們有3個協程A,B,C分別要進行數次IO操作。這3個協程運行在同一個調度器或者說線程的上下文中,並依次使用CPU。調度器在其內部維護了一個多路復用器(epoll/select/poll)。

協程A首先運行,當它執行到一個IO操作,但該IO操作並沒有立即就緒時,A將該IO事件註冊到調度器中,並主動放棄CPU。這時調度器將B切換到CPU上開始執行,同樣,當它碰到一個IO操作的時候將IO事件註冊到調度器中,並主動放棄CPU。調度器將C切換到cpu上開始執行。當所有協程都被“阻塞”后,調度器檢查註冊的IO事件是否發生或就緒。假設此時協程B註冊的IO時間已經就緒,調度器將恢復B的執行,B將從上次放棄CPU的地方接着向下運行。A和C同理。

這樣,對於每一個協程來說,是同步的模型;但是對於整個應用程序來說,卻是異步的模型。

好了,原理說完了,我們來看一個實際的例子,echo server。

echo server

在這個例子中,我們將使用orchid庫來編寫一個echo server。orchid庫是一個構建於boost基礎上的 協程/網絡IO 庫。

echo server首先必須要處理連接事件,我們創建一個協程來專門處理連接事件:

typedef boost::shared_ptr<orchid::socket> socket_ptr; //處理ACCEPT事件的協程 void handle_accept(orchid::coroutine_handle co) {     try {                  orchid::acceptor acceptor(co -> get_scheduler().get_io_service());//構建一個acceptor         acceptor.bind_and_listen("5678",true);                  for(;;) {                         socket_ptr sock(new orchid::socket(co -> get_scheduler().get_io_service()));            acceptor.accept(*sock,co);                         //在調度器上創建一個協程來服務新的socket。第一個參數是要創建的協程的main函數,第二個參數是要創建的協程的棧的大小。            co -> get_scheduler().spawn(boost::bind(handle_io,_1,sock),orchid::minimum_stack_size());         }     } catch(boost::system::system_error& e) {            cerr<<e.code()<<" "<<e.what()<<endl;     } } 

在orchid中,協程的main函數必須滿足函數簽名void(orchid::coroutine_handle),如handle_accept所示,其中參數co是協程句柄,代表了當前函數所位於的協程。

在上面的代碼中,我們創建了一個acceptor,並讓它監聽5678端口,然後在”阻塞”等待連接到來,當連接事件到來時,創建一個新的協程來服務新的socket。處理套接字IO的協程如下:

//處理SOCKET IO事件的協程 void handle_io(orchid::coroutine_handle co,socket_ptr sock) {        orchid::tcp_ostream out(*sock,co);        orchid::tcp_istream in(*sock,co);        for(std::string str;std::getline(in, str) && out;) {      out<<str<<endl;        }  } 

IO處理協程首先在傳入的套接字上創建了一個輸入流和一個輸出流,分別代表了TCP的輸入和輸出。然後不斷地從輸入流中讀取一行,並輸出到輸出流當中。當socket上的TCP連接斷開時,輸入流和輸出流的eof標誌為會被置位,因此循環結束,協程退出。

orchid可以使用戶以流的形式來操作套接字。輸入流和輸出流分別提供了std::istream和std::ostream的接口;輸入流和輸出流是帶緩衝的,如果用戶需要無緩衝的讀寫socket或者自建緩衝,可以直接調用orchid::socket的read和write函數。但是需要注意這兩個函數會拋出boost::system_error異常來表示錯誤。

細心的讀者可能已經發現,handle_io的函數簽名並不滿足void(orchid::coroutine_handle),回到handle_accept中,可以發現,實際上我們使用了boost.bind對handle _ io函數進行了適配,使之符合函數簽名的要求。

最後是main函數:

int main() {        orchid::scheduler sche;        sche.spawn(handle_accept,orchid::coroutine::minimum_stack_size());//創建協程        sche.run(); } 

在上面這個echo server的例子中,我們採用了一種 coroutine per connection 的編程模型,與傳統的 thread per connection 模型一樣的簡潔清晰,但是整個程序實際上運行在同一線程當中。

由於協程的切換開銷遠遠小於線程,因此我們可以輕易的同時啟動上千協程來同時服務上千連接,這是 thread per connection的模型很難做到的;在性能方面,整個底層的IO系統實際上是使用boost.asio這種高性能的異步io庫實現的。而且與IO所費的時間相比,協程切換的開銷基本可以忽略。

因此通過協程,我們可以在保持同步IO模型簡潔性的同時,獲得近似於異步IO模型的高性能。