muduo网络库代码剖析——EventLoop类

EventLoop在网络库中的作用？

主线程也有一个线程在跑EventLoop对象的loop()函数，在这个函数内关注服务端的socketfd用来接收新的客户端socketfd连接。

将这个新的socketfd连接放到各个线程中并运行线程的EventLoop对象的loop()来关注已连接socketfd的可读可写事件。

所以EventLoop在网络库中的作用基本就是来关注fd事件并执行回调函数的。

EventLoop对象的数据成员：

typedef std::vector<Channel*> ChannelList;

//线程是否有进入EventLoop的loop()函数
bool looping_; /* atomic */

//线程是否要退出EventLoop的loop()函数
std::atomic<bool> quit_;

//线程是否在执行激活状态channel通道的回调函数        
bool eventHandling_; /* atomic */

//EventLoop线程做的额外工作 
bool callingPendingFunctors_; /* atomic */

//loop函数循环的次数
int64_t iteration_;

//独一无二的线程标识，能区分不同进程间的不同线程
const pid_t threadId_;

//poll有事件到来返回的时间  
Timestamp pollReturnTime_;

//poll函数的具体调用
std::unique_ptr<Poller> poller_;

//定时器功能的实现
std::unique_ptr<TimerQueue> timerQueue_;

//用于唤醒阻塞在poll函数的线程自己
int wakeupFd_;

//这个channel对象是用wakeupFd_和唤醒后需要执行什么函数构造的
std::unique_ptr<Channel> wakeupChannel_;

//？？还未知作用
boost::any context_;

// 返回所有有事件到来的channel通道
ChannelList activeChannels_;

//当前正在执行哪个channel回调函数的channel指针
Channel* currentActiveChannel_;

//互斥锁用来互斥地往pendingFunctors_添加额外任务
mutable MutexLock mutex_;

//EventLoop线程除了执行有事件到来的Channel的回调函数外，也会执行这个vector内的函数（我叫它为额外的工作）
std::vector<Functor> pendingFunctors_ GUARDED_BY(mutex_);

EventLoop有什么功能？

1.返回所有文件描述符fd有事件（可读可写错误）的通道channel，并执行channel通道注册的回调函数。这是EventLoop对象所在线程的主要工作。

2.EventLoop对象所处的线程会阻塞在poll函数，利用eventfd唤醒自己来做一些额外的工作（例如：添加/删除一个新定时器任务）

3.利用timerfd（TimerId类、Timer类、TimerQueue类）实现线程定时执行任务的功能。

一、EventLoop的主要工作是调用激活的Channel的回调函数

流程图：

可以看到Channel对象只是调用了handleEvent()，最终调用的函数是更上一层类或者说是Channel对象所属类注册给channel的回调函数。

二、EventLoop如何利用eventfd从poll函数中唤醒自己去做额外工作

在EventLoop的构造函数内就会设置wakeupChannel_可读事件激活时要回调的函数EventLoop::handleRead()，并将监听eventfd文件描述符事件。当可读事件到来的时候会调用

void EventLoop::handleRead()
{
  uint64_t one = 1;
  ssize_t n = sockets::read(wakeupFd_, &one, sizeof one);
  if (n != sizeof one)
  {
    LOG_ERROR << "EventLoop::handleRead() reads " << n << " bytes instead of 8";
  }
}

从eventupFd_文件描述符中取走数据，防止不断触发可读事件。

设置到wakeupChannel_可读事件是调用了：

void EventLoop::wakeup()
{
  uint64_t one = 1;
  ssize_t n = sockets::write(wakeupFd_, &one, sizeof one);
  if (n != sizeof one)
  {
    LOG_ERROR << "EventLoop::wakeup() writes " << n << " bytes instead of 8";
  }
}

流程图：

Channel类对象wakeupChannel_是如何被添加进监听列表的见：

muduo网络库代码剖析——Channel类

muduo网络库代码剖析——Poller类、PollPoller类、EpollPoller类

三、利用timerfd（TimerId类、Timer类、TimerQueue类）实现线程定时执行任务的功能。

既然EventLoop对象的主要任务是执行有事件的Channel的回调函数，那么就可以利用timerfd实现定时调用回调函数的功能；

muduo网络库代码剖析——TimerId类、Timer类、TimerQueue类

EventLoop.cc文件：

 1 #include "muduo/net/EventLoop.h"
 2 
 3 #include "muduo/base/Logging.h"
 4 #include "muduo/base/Mutex.h"
 5 #include "muduo/net/Channel.h"
 6 #include "muduo/net/Poller.h"
 7 #include "muduo/net/SocketsOps.h"
 8 #include "muduo/net/TimerQueue.h"
 9 
10 #include <algorithm>
11 
12 #include <signal.h>
13 #include <sys/eventfd.h>
14 #include <unistd.h>
15 
16 using namespace muduo;
17 using namespace muduo::net;
18 
19 namespace
20 {
21 __thread EventLoop* t_loopInThisThread = 0;
22 
23 const int kPollTimeMs = 10000;
24 
25 int createEventfd()
26 {
27   int evtfd = ::eventfd(0, EFD_NONBLOCK | EFD_CLOEXEC);
28   if (evtfd < 0)
29   {
30     LOG_SYSERR << "Failed in eventfd";
31     abort();
32   }
33   return evtfd;
34 }
35 
36 #pragma GCC diagnostic ignored "-Wold-style-cast"
37 class IgnoreSigPipe
38 {
39  public:
40   IgnoreSigPipe()
41   {
42     ::signal(SIGPIPE, SIG_IGN);
43     // LOG_TRACE << "Ignore SIGPIPE";
44   }
45 };
46 #pragma GCC diagnostic error "-Wold-style-cast"
47 
48 IgnoreSigPipe initObj;
49 }  // namespace

知识点1：匿名命名空间

知识点2：static全局变量

全局对象会在main函数之前被先调用，所以一开始IgnoreSigPipe()构造函数就被调用了。

 1 EventLoop::EventLoop()
 2   : looping_(false),
 3     quit_(false),
 4     eventHandling_(false),
 5     callingPendingFunctors_(false),
 6     iteration_(0),
 7     threadId_(CurrentThread::tid()),
 8     poller_(Poller::newDefaultPoller(this)),
 9     timerQueue_(new TimerQueue(this)),
10     wakeupFd_(createEventfd()),
11     wakeupChannel_(new Channel(this, wakeupFd_)),
12     currentActiveChannel_(NULL)
13 {
14   LOG_DEBUG << "EventLoop created " << this << " in thread " << threadId_;
15   if (t_loopInThisThread)
16   {
17     LOG_FATAL << "Another EventLoop " << t_loopInThisThread
18               << " exists in this thread " << threadId_;
19   }
20   else
21   {
22     t_loopInThisThread = this;
23   }
24   wakeupChannel_->setReadCallback(
25       std::bind(&EventLoop::handleRead, this));
26   // we are always reading the wakeupfd
27   wakeupChannel_->enableReading();
28 }
29 
30 EventLoop::~EventLoop()
31 {
32   LOG_DEBUG << "EventLoop " << this << " of thread " << threadId_
33             << " destructs in thread " << CurrentThread::tid();
34   wakeupChannel_->disableAll();
35   wakeupChannel_->remove();
36   ::close(wakeupFd_);
37   t_loopInThisThread = NULL;
38 }

构造函数：

当eventfd有可读事件到来以后，EventLoop对象注册了它需要调用的函数：EventLoop::handleRead()

第8行：

Poller* Poller::newDefaultPoller(EventLoop* loop)
{
  if (::getenv("MUDUO_USE_POLL"))
  {
    return new PollPoller(loop);
  }
  else
  {
    return new EPollPoller(loop);
  }
}

依据环境变量选择poll还是epoll系统调用

析构函数：

释放每个EventLoop对象持有的eventfd文件描述符。

 1 void EventLoop::loop()
 2 {
 3   assert(!looping_);
 4   assertInLoopThread();
 5   looping_ = true;
 6   quit_ = false;  // FIXME: what if someone calls quit() before loop() ?
 7   LOG_TRACE << "EventLoop " << this << " start looping";
 8 
 9   while (!quit_)
10   {
11     activeChannels_.clear();
12     pollReturnTime_ = poller_->poll(kPollTimeMs, &activeChannels_);
13     ++iteration_;
14     if (Logger::logLevel() <= Logger::TRACE)
15     {
16       printActiveChannels();
17     }
18     // TODO sort channel by priority
19     eventHandling_ = true;
20     for (Channel* channel : activeChannels_)
21     {
22       currentActiveChannel_ = channel;
23       currentActiveChannel_->handleEvent(pollReturnTime_);
24     }
25     currentActiveChannel_ = NULL;
26     eventHandling_ = false;
27     doPendingFunctors();
28   }
29 
30   LOG_TRACE << "EventLoop " << this << " stop looping";
31   looping_ = false;
32 }

每一个线程有且只有一个EventLoop对象，且在循环跑EventLoop对象的loop()函数。这个函数可谓是顶一片天的函数。

第4行：

  void assertInLoopThread()
  {
    if (!isInLoopThread())
    {
      abortNotInLoopThread();
    }
  }

void EventLoop::abortNotInLoopThread()
{
      LOG_FATAL << "EventLoop::abortNotInLoopThread - EventLoop " << this << " was created in threadId_ = " << threadId_ << ", current thread id = " <<  CurrentThread::tid();
}
bool isInLoopThread() const 
{ 
    return threadId_ == CurrentThread::tid(); 
}

assertInLoopThread的实现

判断当前调用函数的线程是否是该EventLoop所在的线程，此函数不能跨线程调用执行。

第12~26行：

（假设已经注册了监听fd的Channel通道）返回所有有事件（包括可读可写）的Channel。并调用这些Channel注册的回调函数。

第27行：

void EventLoop::doPendingFunctors()
{
  std::vector<Functor> functors;
  callingPendingFunctors_ = true;

  {
  MutexLockGuard lock(mutex_);
  functors.swap(pendingFunctors_);
  }

  for (const Functor& functor : functors)
  {
    functor();
  }
  callingPendingFunctors_ = false;
}

EventLoop的额外工作

EventLoop除了会执行Channel注册的回调函数外，还可能会执行其他的一些事件。这些事件都会放在vector<Functor> pendingFunctors_内；

这些事件包括：

1.新Timer加入到TimerQueue内。

2.从TimerQueue删除定时器任务。

其中为什么要在doPendingFunctors内加锁，且是用局部作用的方式加锁？？

假设有两个线程A和B：

B线程有可能会继续在调用线程A的EventLoop::runInLoop()让往pendingFunctors_中添加任务，由于线程B往线程A的pendingFunctors加Functor，线程A在调用pendingFunctors中的Functor，由于两个线程在操作同一个变量，那么在线程A调用pendingFunctors_的Functor时就需要加锁。

这里的加锁还很巧妙。直接将所有的Functor交换出来，一方面是减少了临界区的长度。一方面也避免了死锁：如果Functor又调用自身的EventLoop::runInLoop()，如果把调用Functor也加锁的话，就会造成死锁。

让线程退出，即让EventLoop对象所在的线程退出loop()函数：

 1 void EventLoop::quit()
 2 {
 3   quit_ = true;
 4   // There is a chance that loop() just executes while(!quit_) and exits,
 5   // then EventLoop destructs, then we are accessing an invalid object.
 6   // Can be fixed using mutex_ in both places.
 7   if (!isInLoopThread())
 8   {
 9     wakeup();
10   }
11 }
12 
13 void EventLoop::wakeup()
14 {
15   uint64_t one = 1;
16   ssize_t n = sockets::write(wakeupFd_, &one, sizeof one);
17   if (n != sizeof one)
18   {
19     LOG_ERROR << "EventLoop::wakeup() writes " << n << " bytes instead of 8";
20   }
21 }

为什么如果当前线程不是EventLoop对象所在的线程，要利用eventFd唤醒线程呢？

因为有可能想让那个线程退出但是线程阻塞在了poll/epoll上，因此唤醒它来退出。

那为什么当前线程是EventLoop对象所在的线程就不需要唤醒呢？

因为如果当前线程能执行到quit()函数，所有当前EventLoop对象所在的线程并没有阻塞，等处理完一个事件一个会回到判断while(!quit_)然后正常退出的。

四、EventLoop线程做的额外事情（除了处理fd可读可写事件外）

 1 void EventLoop::runInLoop(Functor cb)
 2 {
 3   if (isInLoopThread())
 4   {
 5     cb();
 6   }
 7   else
 8   {
 9     queueInLoop(std::move(cb));
10   }
11 }
12 
13 void EventLoop::queueInLoop(Functor cb)
14 {
15   {
16   MutexLockGuard lock(mutex_);
17   pendingFunctors_.push_back(std::move(cb));
18   }
19 
20   if (!isInLoopThread() || callingPendingFunctors_)
21   {
22     wakeup();
23   }
24 }

runInLoop()的字面意思是：在EventLoop对象所在的线程调用。

此时又分两种情况：

1.调用runInLoop()的线程是EventLoop对象所在的线程，那么这个线程直接调用这个事件就可以了（Functor cb）。

2.如果调用runInLoop()的线程不是EventLoop对象所在的线程，那么加锁放入vector<Functor> pendingFunctors_内，然后唤醒EventLoop对象所在的线程来处理。

不过有可能EventLoop对象所处的线程正在执行eventHandling_，那么会发生什么呢？在处理完eventHandling后，会doPendingFunctors，这个时候额外事件是已经添加进来了。那么唤醒poll的eventfd又会额外调用一次doPendingFunctors，会不会有问题呢？？

五、EventLoop对定时事件的实现

TimerId EventLoop::runAt(Timestamp time, TimerCallback cb)
{
  return timerQueue_->addTimer(std::move(cb), time, 0.0);
}

TimerId EventLoop::runAfter(double delay, TimerCallback cb)
{
  Timestamp time(addTime(Timestamp::now(), delay));
  return runAt(time, std::move(cb));
}

TimerId EventLoop::runEvery(double interval, TimerCallback cb)
{
  Timestamp time(addTime(Timestamp::now(), interval));
  return timerQueue_->addTimer(std::move(cb), time, interval);
}

void EventLoop::cancel(TimerId timerId)
{
  return timerQueue_->cancel(timerId);
}

六、如何让EventLoop关注（监听）新的文件描述符的事件

 1 void EventLoop::updateChannel(Channel* channel)
 2 {
 3   assert(channel->ownerLoop() == this);
 4   assertInLoopThread();
 5   poller_->updateChannel(channel);
 6 }
 7 
 8 void EventLoop::removeChannel(Channel* channel)
 9 {
10   assert(channel->ownerLoop() == this);
11   assertInLoopThread();
12   if (eventHandling_)
13   {
14     assert(currentActiveChannel_ == channel ||
15         std::find(activeChannels_.begin(), activeChannels_.end(), channel) == activeChannels_.end());
16   }
17   poller_->removeChannel(channel);
18 }
19 
20 bool EventLoop::hasChannel(Channel* channel)
21 {
22   assert(channel->ownerLoop() == this);
23   assertInLoopThread();
24   return poller_->hasChannel(channel);
25 }

如何实现每个线程只能由一份EventLoop对象？

EventLoop.cc文件内的全局变量用于记录EventLoop对象指针（_thread修饰即每一个线程都有一份独立的该变量，否则该变量在线程间是共享的）：

__thread EventLoop* t_loopInThisThread = 0;

利用一个静态成员函数用于断言判断线程是否已经有一个EventLoop对象：

static EventLoop* getEventLoopOfCurrentThread();

  assert(EventLoop::getEventLoopOfCurrentThread() == NULL);
  EventLoop loop;
  assert(EventLoop::getEventLoopOfCurrentThread() == &loop);

在EventLoop对象的构造函数内调用：

  if (t_loopInThisThread)
  {
    LOG_FATAL << "Another EventLoop " << t_loopInThisThread
              << " exists in this thread " << threadId_;
  }
  else
  {
    t_loopInThisThread = this;
  }

如果是同一个线程内创建了EventLoop对象两次，在第二次的构造函数中因为全局变量t_loopInThisThread已被赋值，故会强制退出第二次构造EventLoop对象失败。

EventLoop的构造函数会记住本对象所属的线程id（threadId是线程唯一的标识，类型是pid_t）。

EventLoop主要调用loop()事件循环函数，该函数不能跨线程调用。只能在创建EventLoop对象的线程中调用loop()函数。

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