libevent源码分析

这两天没事，看了一下Memcached和libevent的源码，做个小总结。

1、入门

1.1、概述
Libevent是一个用于开发可扩展性网络服务器的基于事件驱动(event-driven)模型的网络库。Libevent有几个显著的亮点：
(1)事件驱动（event-driven），高性能；
(2)轻量级，专注于网络，不如 ACE 那么臃肿庞大；
(3)源代码相当精炼、易读；
(4)跨平台，支持 Windows、Linux、*BSD和 Mac Os；
(5)支持多种 I/O多路复用技术， epoll、poll、dev/poll、select 和kqueue 等；
(6)支持 I/O，定时器和信号等事件；
(7)注册事件优先级；
 Libevent 已经被广泛的应用，作为底层的网络库；比如 memcached、 Vomi t、 Nylon、 Netchat等等。

1.2、一个简单示例

 1 int lasttime;
 2 
 3 static void
 4 timeout_cb(int fd, short event, void *arg)
 5 {
 6 struct timeval tv;
 7 struct event *timeout = arg;
 8 int newtime = time(NULL);
 9 
10 //printf("%s: called at %d: %d ", __func__, newtime,
11 printf("%s: called at %d: %d ", "timeout_cb", newtime,
12         newtime - lasttime);
13 lasttime = newtime;
14 
15 evutil_timerclear(&tv);
16 tv.tv_sec = 2;
17 //重新注册event
18 event_add(timeout, &tv);
19 }
20 
21 int
22 main (int argc, char **argv)
23 {
24 struct event timeout;
25 struct timeval tv;
26  
27 /* Initalize the event library */
28 //初始化event环境
29 event_init();
30 
31 /* Initalize one event */
32 //设置事件
33 evtimer_set(&timeout, timeout_cb, &timeout);
34 
35 evutil_timerclear(&tv);
36 tv.tv_sec = 2;
37 //注册事件
38 event_add(&timeout, &tv);
39 
40 lasttime = time(NULL);
41     
42 //等待,分发,处理事件
43 event_dispatch();
44 
45 return (0);
46 }

这是一个简单的基于libevent的定时器程序，运行结果：

 

用libevent编程非常简单，只需要调用event_init初始化环境，然后调用event_add注册相应的事件，接着调用event_dispatch等待并处理相应的事件即可。
调用event_add注册事件时，设置其回调函数。Libevent检测到事件发生时，便会调用事件对应的回调用函数，执行相关的业务逻辑。

1.3、源代码结构
Libevent 的源代码虽然都在一层文件夹下面，但是其代码分类还是相当清晰的，主要可分为头文件、内部使用的头文件、辅助功能函数、日志、libevent 框架、对系统 I/O 多路复用机制的封装、信号管理、定时事件管理、缓冲区管理、基本数据结构和基于 libevent的两个实用库等几个部分，有些部分可能就是一个源文件。
（1）头文件
主要就是 event.h：事件宏定义、接口函数声明，主要结构体 event 的声明；
（2）内部头文件
xxx-internal.h：内部数据结构和函数，对外不可见，以达到信息隐藏的目的；
（3）libevent框架
event.c：event 整体框架的代码实现；
（4）对系统 I/O多路复用机制的封装
epoll.c：对 epoll 的封装；
select.c：对 select 的封装；
devpoll.c：对 dev/poll 的封装;
kqueue.c：对kqueue 的封装；
（5）定时事件管理
min-heap.h：其实就是一个以时间作为 key的小根堆结构；
（6）信号管理
signal.c：对信号事件的处理；
（7）辅助功能函数
evutil.h  和 evutil.c：一些辅助功能函数，包括创建 socket pair和一些时间操作函数：加、减和比较等。
（8）日志
log.h和 log.c：log 日志函数
（9）缓冲区管理
evbuffer.c 和buffer.c：libevent 对缓冲区的封装；
（10）基本数据结构
compatsys 下的两个源文件： queue.h是 libevent 基本数据结构的实现，包括链表，双向链表，队列等；_libevent_time.h：一些用于时间操作的结构体定义、函数和宏定义；
（11）实用网络库
     http 和evdns：是基于 libevent 实现的http 服务器和异步 dns 查询库；

2、核心对象
结构体event和event_base是libevent的两个核心数据结构，前者代表一个事件对象，后者代表整个事件处理框架。
2.1、event（事件）

 1 //event.h
 2 struct event {
 3 TAILQ_ENTRY (event) ev_next;          //已注册事件链表
 4 TAILQ_ENTRY (event) ev_active_next;//就绪事件链表
 5 TAILQ_ENTRY (event) ev_signal_next; //signal链表
 6 unsigned int min_heap_idx;    /* for managing timeouts,事件在堆中的下标 */
 7 
 8 struct event_base *ev_base;
 9 
10 int ev_fd;      //对于I/O事件,是绑定的文件描述符;对于signal事件,是绑定的信号
11 short ev_events; //event关注的事件类型
12 short ev_ncalls; //事件就绪执行时，调用 ev_callback 的次数
13 short *ev_pncalls;    /* Allows deletes in callback */
14 
15 struct timeval ev_timeout;  //timout事件的超时值
16 
17 int ev_pri;   /* smaller numbers are higher priority,优先级 */
18 
19 void (*ev_callback)(int, short, void *arg); //回调函数
20 void *ev_arg; //回调函数的参数
21 
22 int ev_res;        /* result passed to event callback */
23 int ev_flags; //event的状态
24 };
25 

Libevent通过event对象将I/O事件、信号事件和定时器事件封装，从而统一处理，这也是libevent的精妙所有。
各个字段的具体含义：
(1) ev_events：event关注的事件类型，它可以是以下3种类型：
I/O事件： EV_WRITE和EV_READ
定时事件：EV_TIMEOUT
信号：    EV_SIGNAL
辅助选项：EV_PERSIST，表明是一个永久事件
libevent中的定义为：
#define EV_TIMEOUT    0x01
#define EV_READ    0x02
#define EV_WRITE    0x04
#define EV_SIGNAL    0x08
#define EV_PERSIST    0x10    /* Persistant event */
（2）ev_next，ev_active_next 和 ev_signal_next 都是双向链表节点指针；它们是 libevent 对不同事件类型和在不同的时期，对事件的管理时使用到的字段。
libevent 使用双向链表保存所有注册的 I/O和 Signal 事件，ev_next 就是该I/O事件在链表中的位置；此链表可以称为“已注册事件链表”；
同样 ev_signal_next 就是 signal 事件在 signal 事件链表中的位置；
ev_active_next：libevent 将所有的激活事件放入到链表 active list 中，然后遍历 active list 执
行调度，ev_active_next就指明了 event 在active list 中的位置；
（3）min_heap_idx 和 ev_timeout，如果是 timeout 事件，它们是 event 在小根堆中的索引和超时值，libevent 使用小根堆来管理定时事件。
（4）ev_base指向事件框架实例。
（5）ev_fd，对于 I/O事件，是绑定的文件描述符；对于 signal 事件，是事件对应的信号；
（6）eb_flags：libevent 用于标记 event信息的字段，表明事件当前的状态，可能的值有：
#define EVLIST_TIMEOUT   0x01 // event在time堆中
#define EVLIST_INSERTED 0x02 // event在已注册事件链表中
#define EVLIST_SIGNAL    0x04 // 未见使用
#define EVLIST_ACTIVE    0x08 // event在激活链表中
#define EVLIST_INTERNAL 0x10 // 内部使用标记
#define EVLIST_INIT      0x80 // event 已被初始化

2.2、event_base(事件处理框架)

 1 //evenet_internal.h
 2 struct event_base {
 3 const struct eventop *evsel; //底层具体I/O demultiplex操作函数集
 4 void *evbase;
 5 int event_count;        /* counts number of total events,总的事件数量 */
 6 int event_count_active;    /* counts number of active events,就绪事件数量 */
 7 
 8 int event_gotterm;        /* Set to terminate loop */
 9 int event_break;        /* Set to terminate loop immediately */
10 
11 /* active event management */
12 //就绪事件链表数组
13 struct event_list **activequeues;
14 int nactivequeues;//就绪事件队列个数
15 
16 /* signal handling info */
17 struct evsignal_info sig; //用于管理信号
18 
19 struct event_list eventqueue; //注册事件队列
20 struct timeval event_tv;
21 
22 struct min_heap timeheap; //管理定时器的小根堆
23 struct timeval tv_cache; //记录时间缓存
24 };

（1）evsel：libevent 支持Linux、Windows等多种平台，也支持epoll、poll、select、kqueue等多种I/O多路复用模型。如果把 event_init、event_add看成高层抽象的统一事件操作接口，则evsel为这些函数在底层具体的I/O demultiplex的对应的操作函数集。eventop为函数指针的集合：

 1 struct eventop {
 2 const char *name;
 3 void *(*init)(struct event_base *);
 4 int (*add)(void *, struct event *);
 5 int (*del)(void *, struct event *);
 6 int (*dispatch)(struct event_base *, void *, struct timeval *);
 7 void (*dealloc)(struct event_base *, void *);
 8 /* set if we need to reinitialize the event base */
 9 int need_reinit;
10 };
11 

在初始化函数event_base_new中，libevent将evsel指向全局数组eventops的具体元素：

2.3、主要函数
2.3.1、event_int（初始化libevent实例）
struct event_base *
event_init(void)
初始化事件处理框架实例，内部调用event_base_new。

event_base_new的主要逻辑：

 1 struct event_base *
 2 event_base_new(void)
 3 {
 4 
 5 //初始化小根堆
 6 min_heap_ctor(&base->timeheap);
 7 
 8 //初始化注册事件队列
 9 TAILQ_INIT(&base->eventqueue);
10 
11 for (i = 0; eventops[i] && !base->evbase; i++) {
12 //I/O demultiplex机制实例
13 base->evsel = eventops[i];
14 
15 //初始化I/O demultiplex实例(参见win32_init)
16 base->evbase = base->evsel->init(base);
17 }
18 
19 //分配1个就绪事件队列
20 event_base_priority_init(base, 1);
21 
22 }

2.3.2、event_add（注册事件）
//注册事件
int
event_add(struct event *ev, const struct timeval *tv)
该函数主要将事件ev加入到事件框架event_base的注册事件链表base->eventqueue。

2.3.3、event_del（删除事件）
//删除事件
int
event_del(struct event *ev)
该函数主要将事件ev从相应的链表上删除。

2.3.4、event_set（设置事件）

/*设置event对象
**ev:事件对象
**fd:事件对应的文件描述符或信号,对于定时器设为-1
**events:事件类型，比如 EV_READ,EV_PERSIST, EV_WRITE, EV_SIGNAL
**callback:事件的回调函数
**arg:回调函数参数
*/
void
event_set(struct event *ev, int fd, short events,
      void (*callback)(int, short, void *), void *arg)

在将事件注册事件处理框架之前，应该先调用event_set对事件进行相关设置。

2.4、libevent对event的管理
event结构有3个链表结点域和一个小根堆索引，libevent通过3个链表和一个小根堆对I/O事件、signal事件和timer事件进行管理。
对于I/O事件，通过event_add将其加入event_base的注册事件链表eventqueue ；就绪时会加入event_base的就绪链表activequeues[]；
对于timer事件，event_add将其加入到event_base的小根堆timeheap；
Signale 事件的管理相对复杂些，event_add将其加入到注册事件链表，同时，event_add内部会调用I/O demultiplex的add函数（对于I/O事件也一样），比如epoll_add。而add函数又会调用evsignal_add将其加入到 evsignal_info的evsigevents[signo]链表(关于signal，后面会详细介绍)。

3、事件处理框架主循环
Libevent将I/O事件、signal事件和timer事件用统一的模型进行处理，这是非常精妙的。libevent主循环函数不断检测注册事件，如果有事件发生，则将其放入就绪链表，并调用事件的回调函数，完成业务逻辑处理。
3.1、event_dispatch
//事件处理主循环
int
event_dispatch(void)
这是呈现给外部的接口，它的实现很简单，即调用event_loop，而event_loop调用event_base_loop，event_base_loop完成实际的主循环逻辑。

3.2、event_base_loop
主要算法：

 1 done = 0;
 2 while (!done) {
 3 
 4 /*如果没有就绪事件,根据timer heap中事件的最小超时时间,计算I/O demultiplex的
 5 **最大等待时间. 相反,如果有就绪事件,则清除tv,即I/O demultiplex不应该等待.
 6 */
 7 if (!base->event_count_active && !(flags & EVLOOP_NONBLOCK)) {
 8     timeout_next(base, &tv_p);
 9 } else {
10     /* 
11      * if we have active events, we just poll new events
12      * without waiting.
13      */
14     evutil_timerclear(&tv);
15 }
16 
17 /* If we have no events, we just exit */
18 //没有事件处理,则退出循环
19 if (!event_haveevents(base)) {
20     event_debug(("%s: no events registered.", __func__));
21     return (1);
22 }
23 
24 //tv_p为I/O demultiplex的超时时间
25 //处理signal事件和I/O事件
26 res = evsel->dispatch(base, evbase, tv_p);
27 
28 //处理timeout事件,对于超时的事件,将其放到就绪事件链表
29 timeout_process(base);
30 
31 if (base->event_count_active) {
32     //处理就绪事件
33     event_process_active(base);
34     if (!base->event_count_active && (flags & EVLOOP_ONCE))
35         done = 1;
36 } else if (flags & EVLOOP_NONBLOCK)
37     done = 1;
38 
39 }//end while
40 

3.3、timeout_next

 1 /*根据timer heap中事件的最小超时时间,计算I/O demultiplex的最大等待时间.
 2 **为了及时处理timer事件,I/O demultiplex的最大等待时间不应该超过timer事件中最小的超时时间,
 3 **否则,timer事件就不能得到及时处理
 4 */
 5 static int
 6 timeout_next(struct event_base *base, struct timeval **tv_p)
 7 {
 8     struct timeval now;
 9     struct event *ev;
10     struct timeval *tv = *tv_p;
11 
12     //如果没有timer事件,则直接返回
13     if ((ev = min_heap_top(&base->timeheap)) == NULL) {
14         /* if no time-based events are active wait for I/O */
15         *tv_p = NULL;
16         return (0);
17     }
18 
19     if (gettime(base, &now) == -1)
20         return (-1);
21 
22     //如果最小的timer事件已经超时,则清除tv,即I/O demultiplex不应该等待.
23     if (evutil_timercmp(&ev->ev_timeout, &now, <=)) {
24         evutil_timerclear(tv);
25         return (0);
26     }
27 
28     //更新I/O demultiplex可以等待的最大时间:ev->ev_timeout - now
29     evutil_timersub(&ev->ev_timeout, &now, tv);
30     return (0);
31 }
32 

3.4、dispatch函数
调用底层I/O multiplex的dispatch函数，具体的实现可以参见epoll的实现epoll_dispatch。

3.5、event_process_active

4、Timer事件
Timer事件的处理本身比较简单，不再赘述。

5、signal事件
5.1、socket pair
Libevent通过socketpair，将signal事件与I/O事件完美的统一起来。Socketpair，简单的说就一对socket，一端用于写，一端用于读。工作方式如下：

 为了与I/O事件统一起来，libevent内部使用了一个针对read socket的读事件。

5.1.1、Socketpair的创建
与 信号事件的初始化工作都是在evsignal_init中完成的，而evsignal_init通过调用evutil_socketpair创建 socketpair。对于Unix平台，有socketpair系统调用；对于Windows，则相对复杂一些，具体见 evutil_socketpair函数的实现。

5.2、evsignal_info
在event_base内部有一个evsignal_info类型的字段sig，它是用于管理signal事件的核心数据结构：

 1 //evsignal.h
 2 struct evsignal_info {
 3 struct event ev_signal;    //内部socket读事件
 4 int ev_signal_pair[2];  //对应socket pair的两个socket描述符
 5 int ev_signal_added;  //内部socket读事件是否已经加入注册链表
 6 volatile sig_atomic_t evsignal_caught; //是否有信号发生
 7 //信号事件链表数组,evsigevents[signo]表示注册信号signo的事件
 8 struct event_list evsigevents[NSIG]; 
 9 //具体记录每个信号触发的次数，evsigcaught[signo]是记录信号 signo被触发的次数
10 sig_atomic_t evsigcaught[NSIG];
11     
12 //sh_old记录了原来的 signal 处理函数指针，当信号 signo 注册的 event 被清空时，需要重新设置其处理函数
13 #ifdef HAVE_SIGACTION
14 struct sigaction **sh_old;
15 #else
16 ev_sighandler_t **sh_old;
17 #endif
18 int sh_old_max;
19 };
20 

5.3、主要函数
5.3.1、evsignal_init
主要完成evsignal_info的初始化，主要算法：

 1 int
 2 evsignal_init(struct event_base *base)
 3 {
 4 evutil_socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, base->sig.ev_signal_pair);
 5 base->sig.sh_old = NULL;
 6 base->sig.sh_old_max = 0;
 7 
 8 //事件发生次数设为0
 9 base->sig.evsignal_caught = 0;
10 memset(&base->sig.evsigcaught, 0, sizeof(sig_atomic_t)*NSIG);
11 /* initialize the queues for all events */
12 for (i = 0; i < NSIG; ++i)
13 TAILQ_INIT(&base->sig.evsigevents[i]);
14 
15 evutil_make_socket_nonblocking(base->sig.ev_signal_pair[0]); //写端
16 
17 //设置内部读事件
18 event_set(&base->sig.ev_signal, base->sig.ev_signal_pair[1], 
19 EV_READ | EV_PERSIST, evsignal_cb, &base->sig.ev_signal); //读端
20 base->sig.ev_signal.ev_base = base;
21 
22 //sig.ev_signal == EV_READ | EV_PERSIST | EVLIST_INTERNAL
23 base->sig.ev_signal.ev_flags |= EVLIST_INTERNAL;
24 }

该 函数的关键在于这里会设置libevent用于管理信号事件的内部读事件evsignal_info的ev_signal，并将该事件对应的文件描述符设 为socket pair的读端。该函数由I/O multiplex的init函数调用。注：这里只是设置，而并没有注册socket pair的读事件(见下一节)。

5.3.2、evsignal_add
当调用event_add注册信号事件时，内部会先调用 I/O multiplex的add函数，add函数又会调用evsignal_add，将事件加到evsignal_info内部的信号事件链表。然后再 event_queue_insert将其添加到event_base的注册事件链表。

这里有两个地方需要注意，一是调用_evsignal_set_handler设置外部注册信号事件对应的信号的信号处理函数evsignal_handler：

 1 static void
 2 evsignal_handler(int sig)
 3 {
 4     int save_errno = errno;
 5 
 6     //设置信号事件的发生次数
 7     evsignal_base->sig.evsigcaught[sig]++;
 8     evsignal_base->sig.evsignal_caught = 1;
 9 
10 #ifndef HAVE_SIGACTION
11     signal(sig, evsignal_handler);
12 #endif
13 
14     /* Wake up our notification mechanism */
15     //向socket pair的写端写数据
16     send(evsignal_base->sig.ev_signal_pair[0], "a", 1, 0);
17     errno = save_errno;
18 }

当用户注册信号事件对应的信号发生时，OS转到evsignal_handler函数，从而设置sig.evsignal_caught，并向socket pair的写端发送数据。
二是通过调用event_add完成内部socket pair的读事件sig->ev_signal的注册。最后，将（外部）事件添加到信号事件链表。
5.3.2、与主循环结合
信号事件完成了注册，libevent就会在主循环中，等待事件发生，并处理事件。为了理解，来看看具体I/O demultiplex的dispatch函数：

 1 static int
 2 epoll_dispatch(struct event_base *base, void *arg, struct timeval *tv)
 3 {
 4     struct epollop *epollop = arg;
 5     struct epoll_event *events = epollop->events;
 6     struct evepoll *evep;
 7     int i, res, timeout = -1;
 8 
 9     if (tv != NULL)
10         timeout = tv->tv_sec * 1000 + (tv->tv_usec + 999) / 1000;
11 
12     if (timeout > MAX_EPOLL_TIMEOUT_MSEC) {
13         /* Linux kernels can wait forever if the timeout is too big;
14          * see comment on MAX_EPOLL_TIMEOUT_MSEC. */
15         timeout = MAX_EPOLL_TIMEOUT_MSEC;
16     }
17 
18     //等待I/O事件
19     res = epoll_wait(epollop->epfd, events, epollop->nevents, timeout);
20 
21     if (res == -1) {
22         if (errno != EINTR) {
23             event_warn("epoll_wait");
24             return (-1);
25         }
26         //epoll_wait被信号中断
27         evsignal_process(base);
28         return (0);
29     } else if (base->sig.evsignal_caught) {//发生了信号事件
30         //处理信号事件
31         evsignal_process(base);
32     }
33 //…
34 }

epoll_dispatch函数调用epoll_wait函数等待I/O发生。然后，如果有信号事件发生，则调用evsignal_process处理信号事件，evsignal_process的逻辑比较简单，它只是将事件从注册事件链表转移到就绪事件链表。

还 记得evsignal_handler函数吗？它是所有（外部）信号事件对应的信号的信号处理函数，将实际的信号发生时，OS会转而执行 evsignal_handler函数，而它便向socket pair的写端写数据，而读端收到数据。而此时，libevent的内部socket pair读事件已经完成注册。libevent正阻塞在epoll_wait处，当socketp pair读端收到数据时，libevent便从epoll_wait处返回。总之，signal事件通过socket pair，与I/O事件实现完美的统一。

Libevent从epoll_wait返回后，它调用evsignal_process处理信号事件，然后调用event_active将I/O事件（包括内部的socket pair读事件）转移到就绪事件链表。

Socket pair的读事件回调函数：

 1 static void
 2 evsignal_cb(int fd, short what, void *arg)
 3 {
 4 static char signals[1];
 5 #ifdef WIN32
 6 SSIZE_T n;
 7 #else
 8 ssize_t n;
 9 #endif
10 //接收数据
11 n = recv(fd, signals, sizeof(signals), 0);
12 if (n == -1)
13 event_err(1, "%s: read", __func__);
14 }

6、libevent的应用
Libevent 是一个非常优秀的开源网络库，它被许多其它开源程序使用。Memcache使用libevent作为底层的网络处理组件，并采用主线程(main thread，单一)+工作线程(work thread，多个)的多线程模型（这将在Memcached的分析中详细介绍）。