源码阅读 协程

浅读 Libco

Posted by Masutangu on October 5, 2016

今天花了一天时间，学习了下微信的开源协程库 libco的代码，写下来做个纪录，有部分细节代码（包括 coctx_swap.S 那段汇编）我还没读懂，以后再补充进来。

协程的原理

协程的概念和优点这里不再赘述。我们先介绍下实现协程的原理，再来看看相应的代码。

协程的切换，其实就是由我们手动来管理指令执行的上下文。一般每一个协程有自己的 context_buff 来保存自己的运行上下文（寄存器和栈）。当需要挂起当前协程时，将当前的上下文保存到该协程的 context_buff，并把当前上下文重置为新的协程的 context_buff 即可。

hook 系统调用

一般会在有 IO 阻塞操作的时候做协程的切换。如何让协程的使用者无需关心这些切换的细节呢？libco 采用 hooking IO 函数的方法。将 IO 设置为非阻塞，提交给 epoll 来管理，并让出 cpu 资源，等到 epoll 事件返回后再 resume 对应的协程。下面的代码会给出相应的例子。

libco 源码

  • 协程相关数据结构

    stCoRoutineEnv_t 管理协程的结构体，每起一个新的协程就压入 pCallStack 中，每挂起一个协程就将其踢出 pCallStack。

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      struct stCoRoutineEnv_t
  {
      stCoRoutine_t *pCallStack[ 128 ];
      int iCallStackSize;
      stCoEpoll_t *pEpoll;
  };

    stCoRoutine_t 封装了协程对象，coctx_t 保存协程的 context。

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      struct stCoRoutine_t
  {
      stCoRoutineEnv_t *env;
      pfn_co_routine_t pfn;
      void *arg;
      coctx_t ctx;
      char cStart;
      char cEnd;
      stCoSpec_t aSpec[1024];
      char cIsMain;
      char cEnableSysHook;
      char sRunStack[ 1024 * 128 ];
  };

  • epoll 相关数据结构

    管理 epoll 的结构体，pTimeout 管理 Timeout 事件。pstTimeoutList 为超时事件的列表。pstTimeoutList 和 pstActiveList 下面会看到其用法。

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      struct stCoEpoll_t
  {
      int iEpollFd;
      static const int _EPOLL_SIZE = 1024 * 10;
      struct stTimeout_t *pTimeout;
      struct stTimeoutItemLink_t *pstTimeoutList;  
      struct stTimeoutItemLink_t *pstActiveList;
      co_epoll_res *result; 

  };

    stTimeout_t 封装了 Timeout 结构体。pItems 是一个链表数组，具体用法可以查看 int AddTimeout( stTimeout_t *apTimeout,stTimeoutItem_t *apItem ,unsigned long long allNow ) 函数。

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      struct stTimeout_t
  {
      stTimeoutItemLink_t *pItems;
      int iItemSize;
      unsigned long long ullStart;
      long long llStartIdx;
  };

  • hooking IO

    下面以 read 函数为例子，看看 libco 是如何将 io 操作通过 epoll 来管理并与协程结合起来。

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      ssize_t read( int fd, void *buf, size_t nbyte )
  {
      HOOK_SYS_FUNC( read );
      if( !co_is_enable_sys_hook() )  // 如果没开启hook，则返回系统的 read 函数
      {
          return g_sys_read_func( fd,buf,nbyte );
      }
      rpchook_t *lp = get_by_fd( fd );

      if( !lp || ( O_NONBLOCK & lp->user_flag ) ) 
      {
          ssize_t ret = g_sys_read_func( fd,buf,nbyte );
          return ret;
      }
      int timeout = ( lp->read_timeout.tv_sec * 1000 ) 
                  + ( lp->read_timeout.tv_usec / 1000 );

      struct pollfd pf = { 0 };
      pf.fd = fd;
      pf.events = ( POLLIN | POLLERR | POLLHUP );

      int pollret = poll( &pf,1,timeout );  // 这里调用 poll 了，注意 poll 会挂起当前协程让出cpu，下面的指令需要等到该协程 resume 才会继续执行了。

      ssize_t readret = g_sys_read_func( fd,(char*)buf ,nbyte );
		
      return readret;
		
  }

  int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout)
  {

      HOOK_SYS_FUNC( poll );

      if( !co_is_enable_sys_hook() )
      {
          return g_sys_poll_func( fds,nfds,timeout );
      }

      return co_poll( co_get_epoll_ct(),fds,nfds,timeout );  // 调用的是 co_poll
  }

  • epoll 逻辑

    最主要的代码都在 co_poll 函数和 co_eventloop 函数。

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      int co_poll( stCoEpoll_t *ctx,struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout )
  {
      int epfd = ctx->iEpollFd;

      //1.struct change
      stPoll_t arg;
      memset( &arg,0,sizeof(arg) );

      arg.iEpollFd = epfd;
      arg.fds = fds;
      arg.nfds = nfds;

      stPollItem_t arr[2];
      if( nfds < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]) )
      {
          arg.pPollItems = arr;
      }	
      else
      {
          arg.pPollItems = (stPollItem_t*)malloc( nfds * sizeof( stPollItem_t ) );
      }

      memset( arg.pPollItems, 0, nfds * sizeof(stPollItem_t) );

      arg.pfnProcess = OnPollProcessEvent;  // 当 epoll 事件被触发，就会调用该函数来 resume 相应的协程。
      arg.pArg = GetCurrCo( co_get_curr_thread_env() );  // pArg 保存当前的协程，pfnProcess 函数中用该字段来得到需要 resume 的协程对象。
		
      //2.add timeout

      unsigned long long now = GetTickMS();
      arg.ullExpireTime = now + timeout;
      int ret = AddTimeout( ctx->pTimeout,&arg,now );  // 调用 AddTimeout，由 stCoEpoll_t 管理超时。
		
      //3. add epoll

      for(nfds_t i = 0; i < nfds; i++)
      {
          arg.pPollItems[i].pSelf = fds + i;
          arg.pPollItems[i].pPoll = &arg;

          arg.pPollItems[i].pfnPrepare = OnPollPreparePfn;
          struct epoll_event &ev = arg.pPollItems[i].stEvent;

          if( fds[i].fd > -1 )
          {
              ev.data.ptr = arg.pPollItems + i;
              ev.events = PollEvent2Epoll( fds[i].events );

              co_epoll_ctl( epfd,EPOLL_CTL_ADD, fds[i].fd, &ev );  // 添加到 epoll 中监听
          }
          //if fail,the timeout would work
			
      }

      co_yield_env( co_get_curr_thread_env() );  // 让出 cpu，挂起当前协程了。等到 stCoEpoll_t resume 该协程再继续执行下面的指令了

      // 下面都是清理工作 可以不用细看
      RemoveFromLink<stTimeoutItem_t,stTimeoutItemLink_t>( &arg );
      for(nfds_t i = 0;i < nfds;i++)
      {
          int fd = fds[i].fd;
          if( fd > -1 )
          {
              co_epoll_ctl( epfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,&arg.pPollItems[i].stEvent );
          }
      }


      if( arg.pPollItems != arr )
      {
          free( arg.pPollItems );
          arg.pPollItems = NULL;
      }
      return arg.iRaiseCnt;
  }

  // 事件循环
  void co_eventloop( stCoEpoll_t *ctx,pfn_co_eventloop_t pfn,void *arg )
  {
      if( !ctx->result )
      {
          ctx->result =  co_epoll_res_alloc( stCoEpoll_t::_EPOLL_SIZE );
      }
      co_epoll_res *result = ctx->result;

      for(;;)
      {
          int ret = co_epoll_wait( ctx->iEpollFd, result, stCoEpoll_t::_EPOLL_SIZE, 1 );

          stTimeoutItemLink_t *active = (ctx->pstActiveList);
          stTimeoutItemLink_t *timeout = (ctx->pstTimeoutList);

          memset( timeout,0,sizeof(stTimeoutItemLink_t) );

          for(int i=0;i<ret;i++)
          {
              stTimeoutItem_t *item = (stTimeoutItem_t*)result->events[i].data.ptr;
              if( item->pfnPrepare )
              {
                  item->pfnPrepare( item,result->events[i],active );
              }
              else
              {
                  AddTail( active,item );  // 监听到的事件放到 active 链表里
              }
          }


          unsigned long long now = GetTickMS();
          TakeAllTimeout( ctx->pTimeout,now,timeout );  // 超时的事件放到 timeout 链表里

          stTimeoutItem_t *lp = timeout->head;
          while( lp )
          {
              lp->bTimeout = true;
              lp = lp->pNext;
          }

          Join<stTimeoutItem_t,stTimeoutItemLink_t>( active,timeout );  // 合并 active 和 timeout 链表

          lp = active->head;
          while( lp )
          {
              PopHead<stTimeoutItem_t,stTimeoutItemLink_t>( active );
              if( lp->pfnProcess )
              {
                  lp->pfnProcess( lp );  // 一个个拿出来处理，调用 pfnProcess 函数，即 OnPollProcessEvent 函数
              }
              lp = active->head;
          }
          if( pfn )
          {
              if( -1 == pfn( arg ) )
              {
                  break;
              }
          }
      }
  }

  void OnPollProcessEvent( stTimeoutItem_t * ap )
  {
      stCoRoutine_t *co = (stCoRoutine_t*)ap->pArg;  // 从上面知道，pArg 保存了该事件对应的协程
      co_resume( co );   // resume 相应的协程
  }

  • 协程的挂起和恢复

    协程的挂起和恢复由 stCoRoutineEnv_t 的 pCallStack 来管理。

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      void co_yield_env( stCoRoutineEnv_t *env )  // 挂起当前协程，恢复其父协程
  {
      stCoRoutine_t *last = env->pCallStack[ env->iCallStackSize - 2 ];  // last 可以认为是父协程
      stCoRoutine_t *curr = env->pCallStack[ env->iCallStackSize - 1 ];  // curr 为当前执行的协程
      env->iCallStackSize--;
      coctx_swap( &curr->ctx, &last->ctx );  // 保持 curr 协程的上下文， 并恢复 last 协程的上下文
  }

  void co_resume( stCoRoutine_t *co )   // 恢复 co 协程
  {
      stCoRoutineEnv_t *env = co->env;
      stCoRoutine_t *lpCurrRoutine = env->pCallStack[ env->iCallStackSize - 1 ];
      if( !co->cStart )
      {
          coctx_make( &co->ctx,(coctx_pfn_t)CoRoutineFunc,co,0 );
          co->cStart = 1;
      }
      env->pCallStack[ env->iCallStackSize++ ] = co;  // 执行协程的时候压入 pCallStack 栈中
      coctx_swap( &(lpCurrRoutine->ctx),&(co->ctx) );  // 恢复 co 协程的上下文
  }

流程图

简化版的流程如下图所示：

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