epoll+线程池模型

我要成为C++领域大神2024-08-25 20:56

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负载均衡技术

大量的用户请求可能导致任务分发不均匀，导致资源浪费，不能很好的处理和响应

通过预先设定的分发策略，最大的尝试均匀分发业务，让每台处理机都有任务负载

代理服务器

代理服务器是一个以数据中转为主要职责的中间件，代理服务器可以将用户的请求中转给处理服务器机，也可以将结果反馈给用户，避免用户直接访问服务器主机，提高安全性（安全策略都可以部署在代理服务器中），还可以进行任务的控制与分发，例如负载均衡可以在代理服务器中完成

HA高可用性结构

某个处理机宕机，可用通过HA概念将数据任务转发给正常的处理机。察觉处理机异常，快速反应

线程池设计原则

epoll具有强大的socket监听能力，可以快速察觉所有套接字，线程池具有高并发处理能力，大量的用户请求可用快速处理。

1）提高线程重用性，线程不能与用户绑定，可重复为多个用户处理业务，避免频繁创建销毁线程，减少不必要的开销。

2）预创建，提前准备好部分线程待用，用户发送请求后直接选择线程处理，提高响应速度

3）线程管理策略，设定线程池阈值，通过阈值管理调度线程，线程扩容与缩减

4）为服务器提供并发处理能力，可以更快处理请求或业务

5）提高线程池的重用性，用户实现任务，线程池负责执行任务

6）线程池使用生产者消费者实现，任务传递模式

工作流程

线程池：

生产者将要处理的业务传递到任务队列中去，如果任务队列中有可获取的任务，消费者一直获取执行，生产者投递的任务不允许持续占用消费者。管理者会对消费者进行扫描，根据阈值检测是否需要扩容和缩减，对消费者进行创建或者杀死。

epoll模型：

生产者负责实现epoll模型，将事件转换成业务，投递到线程池中

线程池的扩容和缩减

使用线程池最小阈值min，作为扩容增减数量

扩容：当前任务量>=闲消费者数量 或者 忙线程数量占活线程数量的70%

缩减：当前线程数量+扩容量，小于最大线程阈值

消费者与管理者配合实现缩减

epoll的水平触发模式和边缘触发模式

epoll 的水平触发（Level Triggered, LT）和边缘触发（Edge Triggered, ET）是两种不同的事件通知机制，它们定义了 epoll 如何向应用程序报告文件描述符上的事件。

水平触发（LT）

在水平触发模式下，只要满足条件的事件仍然存在，epoll 就会重复通知这个事件。比如，如果一个文件描述符上有可读数据，那么只要没有读完，epoll_wait 就会不断报告该文件描述符是可读的。这种模式的特点是：

容错性较好，不易丢失事件。

更易于编程和理解。

可以用于多线程程序中，多个线程可以共享同一个 epoll 文件描述符。

缺点：开销大，往返在socket缓冲区和用户之间

在水平模式下，我们的epoll+线程池模型有问题，当第一轮事件监听未处理完毕，epoll_wait不会阻塞，当再次有客户端发送任务时epoll_wait立即返回，并且会对任务进行误添加。

可以以边缘触发模式监听socket的读事件来避免这种问题，node.events=EPOLL | EPOLLET

边缘触发（ET）

边缘触发模式下，事件只在状态变化时被通知一次，之后即使条件仍然满足，也不会再次通知，直到状态再次发生变化。例如，只有当新数据到达使得文件描述符从非可读变为可读时，epoll_wait 才会报告可读事件。边缘触发模式的特点是：

效率更高，因为它减少了事件的重复通知。

需要更加小心地处理每次通知，确保处理所有的数据，否则可能会丢失未处理完的数据。

更适合单线程或者每个线程使用独立 epoll 文件描述符的场景。

代码实现

文件结构：

makefile：

server.h

cpp 复制代码 
#ifndef __server_H__
#define __server_H__

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

#define TIMEOUT 1
pthread_mutex_t lock;

typedef struct
{
    void *(*bussiness)(void *);//任务函数指针
    void *arg;

}bs_t;

typedef struct
{
    int thread_shutdown;//线程池开关
    int thread_max;//最大线程数
    int thread_min;//最小线程数
    int thread_alive;//有效线程数
    int thread_busy;//忙线程数量
    int kill_number;//缩减码

    bs_t *queue;//任务队列
    int front;
    int rear;
    int cur;
    int max;
    pthread_cond_t Not_Full;
    pthread_cond_t Not_Empty;
    pthread_t * ctids;//存储消费者ID
    pthread_t mtid;//存储管理者ID
}pool_t;//线程池类型

pool_t * thread_pool_create(int Max,int Min,int Qmax);//线程池初始化
int Producer_add_task(pool_t * p,bs_t bs);//生产者添加任务模块，执行一次添加一次任务
void *Customer_thread(void *arg);//消费者线程，参数为线程池地址
void *Manager_thread(void *arg);//管理者线程，参数为线程池地址
int thread_pool_destroy(pool_t *p);//销毁线程池
void * user_bussiness(void *arg);//自定义线程任务
int is_thread_alive(pthread_t pid);

thread_pool_create.c

cpp 复制代码 
#include "../include/server.h"


pool_t * thread_pool_create(int Max,int Min,int Qmax)
{
    pool_t *ptr=NULL;
    if((ptr=(pool_t*)malloc(sizeof(pool_t)))==NULL)
    {
        perror("thread_pool_create malloc pool failed");
        exit(0);
    }

    ptr->thread_shutdown=1;
    ptr->thread_max=Max;
    ptr->thread_min=Min;
    ptr->thread_alive=0;
    ptr->kill_number=0;
    ptr->thread_busy=0;
    if((ptr->queue=(bs_t*)malloc(sizeof(bs_t)*Qmax))==NULL)
    {
        perror("thread_pool_create malloc queue failed");
        exit(0);
    }
    
    if((ptr->ctids=(pthread_t*)malloc(sizeof(pthread_t)*Max))==NULL)
    {
        perror("thread_pool_create malloc ctids failed");
        exit(0);
    }
    ptr->front=0;
    ptr->rear=0;
    ptr->cur=0;
    ptr->max=Qmax;

    if(pthread_cond_init(&ptr->Not_Full,NULL)!=0 || pthread_cond_init(&ptr->Not_Empty,NULL)!=0|| pthread_mutex_init(&lock,NULL)!=0)
    {
        printf("thread pool create failed,init Cond or Lock Failed\n");
        exit(0);
    }

    int err;
    for(int i=0;i<Min;++i)
    {
        if((err=pthread_create(&ptr->ctids[i],NULL,Customer_thread,(void*)ptr))!=0)
        {
            printf("thread pool create failed,customer thread create failed:%s",
                    strerror(err));
            exit(0);
        }
        ++ptr->thread_alive;
    }
        if((err=pthread_create(&ptr->mtid,NULL,Manager_thread,(void*)ptr))!=0)
        {
            printf("thread pool create failed,manager thread create failed:%s",strerror(err));
            exit(0);
        }
        
        pthread_create(&ptid,NULL,print_thread,(void*)ptr);
        printf("Print Thread Create Success...\n");
        return ptr;
}

thread_pool_destroy.c

cpp 复制代码 
#include "../include/server.h"

int thread_pool_destroy(pool_t *p)
{
    pthread_mutex_destroy(&lock);
    pthread_cond_destroy(&p->Not_Full);
    pthread_cond_destroy(&p->Not_Empty);
    free(p->ctids);
    free(p->queue);
    free(p);
    return 0;
}

Epoll_Listen.c

cpp 复制代码 
#include "../include/server.h"

int Epoll_Listen(int serverfd,pool_t * p)
{
    struct epoll_event ready_array[EPOLLMAX];
    int ready,flag;
    bs_t tmp;
    printf("Epoll_Thread Server,Epoll_Listen Running...\n");
    while(p->thread_shutdown)
    {
        if((ready=epoll_wait(epfd,ready_array,EPOLLMAX,-1))==-1)
        {
            perror("Epoll_Listen call failed,epoll_wait call failed");
            exit(0);
        }
        flag=0;
        while(ready)
        {
            if(ready_array[flag].data.fd==serverfd)
            {
                tmp.business=Business_Accept;
                tmp.arg=(void *)&serverfd;
                Producer_add_task(p,tmp);
            }
            else
            {
                tmp.business=Business_Retime;
                tmp.arg=((void*)&ready_array[flag].data.fd);
                Producer_add_task(p,tmp);
            }
            ++flag;
            --ready;
        }
    }
    close(serverfd);
    return 0;
}

Manager_thread.c

cpp 复制代码 
#include "../include/server.h"

void * Manager_thread(void *arg)
{
    pthread_detach(pthread_self());
    pool_t *p=(pool_t *)arg;
    int alive,cur,busy;
    pthread_mutex_lock(&lock);
    alive=p->thread_alive;
    busy=p->thread_busy;
    cur=p->cur;
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    int add,flag;
    //持续执行
    while(p->thread_shutdown)
    {
        if((cur>=alive-busy||(double)busy/alive*100>=70)&&alive+p->thread_min<=p->thread_max)
        {
            for(flag=0,add=0;flag<p->thread_max&&add<p->thread_min;flag++)
            {
                if(p->ctids[flag]==0 || !is_thread_alive(p->ctids[flag]))
                {
                    pthread_create(&p->ctids[flag],NULL,Customer_thread,(void*)p);
                    add++;
                    pthread_mutex_lock(&lock);
                    ++(p->thread_alive);
                    pthread_mutex_unlock(&lock);
                }
            }
            pthread_kill(ptid,SIGUSR1);
        }
        if(busy*2<=alive-busy && alive-p->thread_min >= p->thread_min)
        {
            printf("%d\n",p->thread_min);
            pthread_mutex_lock(&lock);
            p->kill_number=p->thread_min;
            pthread_mutex_unlock(&lock);
            for(int i=0;i<p->thread_min;++i)
            {
                pthread_cond_signal(&p->Not_Empty);
            }
            
        }
        sleep(TIMEOUT);
    }
        printf("Thread shutdown 0,manager thread[0x%x]exiting...\n",
                (unsigned int)pthread_self());
        pthread_exit(NULL);
}

Business_Retime.c

cpp 复制代码 
#include "../include/server.h"

void * Business_Retime(void *arg)
{
    int toupper_flag=0;
    char recv_buf[1024];
    bzero(recv_buf,sizeof(recv_buf));
    char time_buf[100];
    bzero(time_buf,sizeof(time_buf));
    time_t tp;
    int recvlen;
    int sockfd=*(int*)arg;
    printf("111\n");
    while((recvlen=recv(sockfd,recv_buf,sizeof(recv_buf),MSG_DONTWAIT))==-1)
    {
        if(errno==EINTR)
        break;
        perror("Business_Retime recv call failed");
        exit(0);
    }

    if(recvlen>0)
    {
        if (strcmp(recv_buf, "localtime") == 0) {
               tp = time(NULL); // 获取时间种子
               ctime_r(&tp, time_buf);
               time_buf[strcspn(time_buf, "\n")] = '\0';
               send(sockfd, time_buf, strlen(time_buf) + 1, MSG_NOSIGNAL);
               bzero(time_buf, sizeof(time_buf));
               } 
	else 
	{
                toupper_flag = 0;
                while (recvlen > toupper_flag) 
		{
                recv_buf[toupper_flag] = toupper(recv_buf[toupper_flag]);
                ++toupper_flag;
          	}
                send(sockfd, recv_buf, recvlen, MSG_NOSIGNAL);
                bzero(recv_buf, sizeof(recv_buf));
    }
    }
    else if(recvlen==0)
    {
        close(sockfd);
        epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,sockfd,NULL);
    }

    return NULL;
}

Epoll_Create.c

cpp 复制代码 
#include "../include/server.h"

int Epoll_Create(int serverfd)
{
    int epfd;
    if((epfd=epoll_create(EPOLLMAX))==-1)
    {
        perror("Epoll_Create call failed,epoll_create call failed");
        exit(0);
    }
    struct epoll_event node;
    node.data.fd=serverfd;
    node.events=EPOLLIN|EPOLLET;
    if((epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,serverfd,&node))==-1)
    {
        perror("Epoll_Create call failed,epoll_ctl call failed");
        exit(0);
    }
    printf("Epoll_Server Epoll Create success...\n");
    return epfd;

}

Business_Accept.c

cpp 复制代码 
#include "../include/server.h"

void *Business_Accept(void *arg)
{
    struct sockaddr_in addr;
    socklen_t addrlen;
    int sockfd=*(int *)arg;
    int customerfd;
    struct epoll_event node;
    char response[1024];
    char ip[16];
    bzero(response,sizeof(response));
    bzero(ip,sizeof(ip));
    addrlen=sizeof(addr);
    if((customerfd=accept(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,&addrlen))==-1)
    {
        perror("Business_Accept accept call failed");
        exit(0);
    }
    inet_ntop(AF_INET,&addr.sin_addr.s_addr,ip,16);
    node.data.fd=customerfd;
    node.events=EPOLLIN|EPOLLET;
    if(epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,customerfd,&node)==-1)
    {
        perror("Business_Accept epoll_ctl call failed");
        exit(0);
    }
    sprintf(response,"hi Thread [%s] welcome to epoll demo",ip);
    send(customerfd,response,strlen(response),MSG_NOSIGNAL);
    return NULL;
}

print_thread.c

cpp 复制代码 
#include "../include/server.h"

void *print_thread(void*arg)
{
    pthread_detach(pthread_self());
    pool_t *ptr=(pool_t*)arg;
    PTR=ptr;
    struct sigaction act,oact;
    act.sa_handler=sig_usr;
    act.sa_flags=0;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    sigaction(SIGUSR1,&act,&oact);//设置捕捉
    sigprocmask(SIG_SETMASK,&act.sa_mask,NULL);//解除屏蔽
    while(ptr->thread_shutdown)
        sleep(TIMEOUT);//等待信号
    pthread_exit(NULL);
}

sig_usr.c

cpp 复制代码 
#include "../include/server.h"

void sig_usr(int n)
{
    //显示一次阈值信息
    printf("[Thread_Epoll_Server Info] alive[%d] busy[%d] Idel[%d] Cur[%d] Busy/Alive[%.2f%%] Alive/max[%.2f%%]\n",
PTR->thread_alive,PTR->thread_busy,PTR->thread_alive-PTR->thread_busy,PTR->cur,(double)PTR->thread_busy/PTR->thread_alive*100,(double)PTR->thread_alive/PTR->thread_max*100);
}

Producer_add_task.c

cpp 复制代码 
#include "../include/server.h"

int Producer_add_task(pool_t *p,bs_t bs)
{
    if(p->thread_shutdown)
    {
        //上锁
        pthread_mutex_lock(&lock);
        while(p->cur==p->max)
        {
            pthread_cond_wait(&p->Not_Full,&lock);
            if(!p->thread_shutdown)
            {
                pthread_mutex_unlock(&lock);
                printf("thread shutdown 0,exiting...\n");
                pthread_exit(NULL);
            }
        }
        //添加一个业务
        p->queue[p->front].business=bs.business;
        p->queue[p->front].arg=bs.arg;
        ++p->cur;
        p->front=(p->front+1)%p->max;
        //解锁
        pthread_mutex_unlock(&lock);
        pthread_kill(ptid,SIGUSR1);
        //唤醒一个消费者
        pthread_cond_signal(&p->Not_Empty);
    }
    else
    {
        printf("thread shutdown 0,exiting...\n");
        pthread_exit(NULL);
    }
        printf("Producer Thread [0x%x] Add Task Successfully,business_addr=%p\n",
               (unsigned int)pthread_self(),bs.business);
    return 0;
}

Net_init.c

cpp 复制代码 
#include "../include/server.h"

int Net_init(void)
{
    int sockfd;
    struct sockaddr_in sockAddr;
    bzero(&sockAddr,sizeof(sockAddr));
    sockAddr.sin_family=AF_INET;
    sockAddr.sin_port=htons(8080);
    sockAddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)
    {
        perror("socket call failed");
        exit(0);
    }
    if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&sockAddr,sizeof(sockAddr))==-1)
    {

        perror("bind call failed");
        exit(0);
    }
    listen(sockfd,BACKLOG);
    printf("Epoll_thread Server Net init Success...\n");
    return sockfd;
}

is_thread_alive.c

cpp 复制代码 
#include "../include/server.h"

int is_thread_alive(pthread_t tid)
{
    pthread_kill(tid,0);
    if(errno==ESRCH)
        return 0;
    return 1;

}

main.c

cpp 复制代码 
#include "../include/server.h"

int main(void)
{
    //主线程设置对SIGUSR1信号的屏蔽，继承给所有线程
    sigset_t set,oset;
    sigemptyset(&set);
    sigaddset(&set,SIGUSR1);
    sigprocmask(SIG_SETMASK,&set,&oset);
    //启动接口start
    int sockfd=Net_init();
    epfd=Epoll_Create(sockfd);
    pool_t *ptr=thread_pool_create(300,10,1000);
    Epoll_Listen(sockfd,ptr);
    if(!ptr->thread_shutdown) 
        thread_pool_destroy(ptr);
    printf("Epoll Server Closing...\n");
    return 0;
}

运行结果

在服务端刚启动后，有13个线程，一个生产者，十个消费者，一个管理者，一个输出线程

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