Linux高性能網絡編程十談 | 信號和定時器
在Linux網絡編程中，信號處理和定時器是經常遇到的功能，在聊這塊內容之前如果您看過上一篇文章《Linux高性能網絡編程十談|IO復用和模式》，應該比較完整的了解epoll了，但是這里還遺漏了一個知識點，那開始先補上這個坑。
關于epoll驚群問題，什么是驚群呢?
比如我們在寫代碼過程中，使用兩個線程的epoll監聽socket，當socket上有事件發生時，兩個epoll都會被喚醒，導致會操作同一個socket，這就是驚群，那如何解決呢?
(1)使用EPOLLEXCLUSIVE：EPOLLEXCLUSIVE是epoll的擴展選項，它允許一個線程獨占一個epoll實例，從而避免了epoll的驚群問題;
(2)使用EPOLLONESHOT：對于注冊了EPOLLONESHOT事件的文件描述符，操作系統最多觸發一個可讀，可寫或者異常事件，且觸發一次，這樣就能確保一個線程獲取事件并處理，但是需要注意的是對于監聽類型(如accept)不能使用EPOLLONESHOT，否則就不能持續監聽連接，對于處理完了的非監聽事件，需要重置EPOLLONESHOT;
第一部分：信號
1、發送信號給進程
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);(1)pid的取值和含義如下：
(2)sig的取值和含義如下(在linux命令行使用kill -l查看取值，這里列幾個經常使用的)：
2、信號回調函數
#include <signal.h>
typedef void (&__sighandler_t) (int);
__sighandler_t signal(int sig, __sighandler_t _handler);
int sigaction(int sig, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);(1)__sighandler_t信號處理的函數指針，其中處理參數為觸發信號當前值，其中有兩個默認宏(SIG_DFL：使用信號默認處理，SIG_IGN：忽略目標信號);
(2)signal注冊信號回調處理函數，返回值為一個函數指針，含義是這個信號上一次處理的回調函數或者是系統默認的處理函數，這里目的是讓用戶可以自己恢復信號處理方式，比如系統對于一些信號是殺掉進程的，這里就應該處理完自己的回調邏輯后再調用系統默認行為;
(3)sigaction函數的功能是檢查或修改與指定信號相關聯的處理動作，使用樣例如下：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
int main()
{
struct sigaction newact, oldact;
newact.sa_handler = SIG_IGN; // 設置信號忽略，也可以設置為處理函數
sigemptyset(&newact.sa_mask);
newact.sa_flags = 0;
int count = 0;
pid_t pid = 0;
sigaction(SIGINT, &newact, &oldact); // 原始的備份到oldact，為后續的處理恢復
pid = fork();
if (pid == 0)
{
while(1)
{
printf("child exec ...\n");
sleep(1);
}
return 0;
}
while (1)
{
if (count++ > 3)
{
sigaction(SIGINT, &oldact, NULL); // 恢復父進程信號處理方式
kill(pid, SIGKILL); // 父進程發信號給子進程
}
printf("father exec ...\n");
sleep(1);
}
return 0;
}第二部分：定時器
在Linux網絡編程中，定時器的作用主要是管理定時任務，處理過期連接，檢測超時隊列等，那我們可以通過哪些方式實現定時器呢?
1、利用系統API
...
setsockopt(socketfd, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, &timeout, len);
setsockopt(socketfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &timeout, len);
int number = epoll_wait(fd, events, MAX_EVENT_NUMBER, timeout);
...通過使用socket的參數，設置連接句柄的發送和接收數據超時時間，可以實現定時處理：
(1)SO_SNDTIMEO發送數據超時時間，根據timeout設置;
(2)SO_RCVTIMEO接收數據超時時間，根據timeout設置;
IO復用的參數中都帶了一個timeout參數，可以設置來達到定時觸發分支邏輯，比如epoll_wait;
2、簡單的定時器
(1)啟動一個線程實現定時器，具體實現如下圖：
- 主線程啟動，開始執行任務，這里可以是網絡收發或者其他;
- 啟動一個線程，做定時任務處理使用;
- 主線程需要增加定時任務，可以將任務封裝為task，添加到任務隊列中;
- 同時通知定時線程，隊列中有任務了，這里通知機制可以是信號量或者廣播方式;
- 定時線程取出隊列中任務，判斷當前任務是否過期，如果過期就執行，沒有過期就繼續放入任務隊列中，同時這里需要讓線程等待隊列中距離下一個周期最短的時間，繼續取隊列任務;
(2)使用epoll_wait設置timeout，是在網絡事件觸發的定時器中最方便的方式，具體邏輯如下：
...
start_timer = ... // 開始執行時間
while (true) {
int number = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, timeout);
for (...) {
...
// 處理連接任務
...
}
end_timer = ... // epoll_wait返回并處理任務時間
// 處理定時任務，判斷當前時間是否在一個timeout
if (end_timer - start_timer > timeout) { // 這里是偽代碼，具體時間判斷可以參考linux結構體
...
// 啟動線程執行定時任務邏輯
...
}
}3、時間輪
時間輪是一種高效定時器，通過類似圓盤的形式定義每個tick，定時轉動圓盤，假設每次tick時間為si，一個時間輪有N個tick，那么執行轉動一圈時間為N*si;
現在插入一個任務，需要to1時間周期后執行，這里就分情況處理：
(1)如果to1 < N*si，則需要分配到(當前時間輪的位置 + to1 / si)的位置上，等待自然tick到達執行當前to1的定時任務;
(2)如果to1 > N*si，則需要分配到(當前時間輪的位置 + (to1 % N) / si + N)的位置上，由于to1執行時間超過一輪的周期，所以需要等待多輪轉動后才能執行，那如何處理呢?因此我們將每個輪的tick上掛一個鏈表，這個鏈表的節點表示到達這個tick需要執行的任務to1，這里的節點有可能是大于一個輪轉動的事件周期，也可能就是當前輪時間周期內執行，我們只需要當事件到達tick時，取出鏈表遍歷鏈表節點to1，判斷是否是當前事件周期內執行，如果是摘除鏈表節點然后執行任務，如果不是則重新計算to1需要多久后執行，計算方法就和上面的一樣(當前時間輪位置 + ((to1 - 鏈表最小的周期時間) % N) / si + N)，然后將當前鏈表節點重新放回;
事件輪
4、時間堆
堆的數據結構應該大家都比較熟悉了，堆是一種滿足以下條件的樹：
- 堆中某個節點的值總是不大于或不小于其父節點的值;
- 堆總是一棵完全二叉樹;
- 添加堆節點的時間復雜度O(lgn)，刪除節點是O(lgn)，獲取節點是O(1);
時間堆
(1)循環線程讀取最小時間堆的堆頂元素;
(2)取出最小節點，判斷當前事件是否過期，如果過期則繼續執行，否則不處理;
(3)將最小節點對應的事件丟給執行線程執行;
這里最小時間堆節點在代碼實現中可以用一個數組表示，使用完全二叉樹的排列。
#include<iostream>
void heapify(int arr[], int n, int i) {
if (i >= n) return;
int min_node = i;
int lson = i * 2 + 1;
int rson = i * 2 + 2;
if (lson < n && arr[min_node] > arr[lson]) { // 和左孩子比較，找到最小節點
min_node = lson;
}
if (rson < n && arr[min_node] > arr[rson]) { // 和右孩子比較，找到最小節點
min_node = rson;
}
if (min_node != i) {
swap(arr[min_node], arr[i]);
heapify(arr, n, min_node); // 遞歸處理
}
}
void heapSort(int arr[], int n) {
// 反向取出最后一個節點
int lastNode = n - 1;
int parent = (lastNode - 1) / 2;
for (int i = parent; i >= 0; i--) {
heapify(arr, n, i);
}
for (int i = n - 1; i >= 0; i--) {
swap(arr[i], arr[0]);
heapify(arr, i, 0); // 調整堆節點
}
}
int main() {
int arr[5] = { 70, 41, 10, 90, 18, 26 };
heap_sort(arr, sizeof(arr) / sizeof(arr[0]));
for (int i = 0; i < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); i++) {
cout << arr[i] << endl;
}
return 0;
}
