Envoy源碼是如何分析Dispatcher的

Envoy源碼是如何分析Dispatcher的，相信很多沒有經(jīng)驗的人對此束手無策，為此本文總結(jié)了問題出現(xiàn)的原因和解決方法，通過這篇文章希望你能解決這個問題。

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Dispatcher

在Envoy的代碼中Dispatcher是隨處可見的，可以說在Envoy中有著舉足輕重的地位，一個Dispatcher就是一個EventLoop，其承擔了任務隊列、網(wǎng)絡事件處理、定時器、信號處理等核心功能。在Envoy threading model這篇文章所提到的EventLoop(Each worker thread runs a “non-blocking” event loop)指的就是這個Dispatcher對象。這個部分的代碼相對較獨立，和其他模塊耦合也比較少，但重要性卻不言而喻。下面是與Dispatcher相關(guān)的類圖，在接下來會對其中的關(guān)鍵概念進行介紹。

cdn.nlark.com/lark/0/2018/png/2826/1538970258265-1c4ce7cc-9283-48c4-81d2-ed4c595afb69.png">

Dispatcher 和 Libevent

Dispatcher本質(zhì)上就是一個EventLoop，Envoy并沒有重新實現(xiàn)，而是復用了Libevent中的event_base，在Libevent的基礎(chǔ)上進行了二次封裝并抽象出一些事件類，比如FileEvent、SignalEvent、Timer等。Libevent是一個C庫，而Envoy是C++，為了避免手動管理這些C結(jié)構(gòu)的內(nèi)存，Envoy通過繼承unique_ptr的方式重新封裝了這些libevent暴露出來的C結(jié)構(gòu)。

template 
class CSmartPtr : public std::unique_ptr {
public:
  CSmartPtr() : std::unique_ptr(nullptr, deleter) {}
  CSmartPtr(T* object) : std::unique_ptr(object, deleter) {}
};

通過CSmartPtr就可以將Libevent中的一些C數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)存通過RAII機制自動管理起來，使用方式如下:

extern "C">

在Libevent中無論是定時器到期、收到信號、還是文件可讀寫等都是事件，統(tǒng)一使用event類型來表示，Envoy中則將event作為ImplBase的成員，然后讓所有的事件類型的對象都繼承ImplBase，從而實現(xiàn)了事件的抽象。

class ImplBase {
protected:
  ~ImplBase();

  event raw_event_;
};

SignalEvent

SignalEvent的實現(xiàn)很簡單，通過evsignal_assign來初始化事件，然后通過evsignal_add添加事件使事件成為未決狀態(tài)(關(guān)于Libevent事件狀態(tài)見附錄)。

class SignalEventImpl : public SignalEvent, ImplBase {
public:
  // signal_num: 要設(shè)置的信號值
  // cb: 信號事件的處理函數(shù)
  SignalEventImpl(DispatcherImpl& dispatcher, int signal_num, SignalCb cb);
private:
  SignalCb cb_;
};

SignalEventImpl::SignalEventImpl(DispatcherImpl& dispatcher, 
                                 int signal_num, SignalCb cb) : cb_(cb) {
  evsignal_assign(
      &raw_event_, &dispatcher.base(), signal_num,
      [](evutil_socket_t, short, void* arg) -> void { 
          static_cast(arg)->cb_(); },
      this);
  evsignal_add(&raw_event_, nullptr);
}

Timer

Timer事件暴露了兩個接口一個用于關(guān)閉Timer，另外一個則用于啟動Timer，需要傳遞一個時間來設(shè)置Timer的到期時間間隔。

class Timer {
public:
  virtual ~Timer() {}
  virtual void disableTimer() PURE;
  virtual void enableTimer(const std::chrono::milliseconds& d) PURE;
};

創(chuàng)建Timer的時候會通過evtimer_assgin對event進行初始化，這個時候事件還處于未決狀態(tài)而不會觸發(fā)，需要通過event_add添加到Dispatcher中才能被觸發(fā)。

class TimerImpl : public Timer, ImplBase {
public:
  TimerImpl(Libevent::BasePtr& libevent, TimerCb cb);

  // Timer
  void disableTimer() override;
  void enableTimer(const std::chrono::milliseconds& d) override;

private:
  TimerCb cb_;
};

TimerImpl::TimerImpl(DispatcherImpl& dispatcher, TimerCb cb) : cb_(cb) {
  ASSERT(cb_);
  evtimer_assign(
      &raw_event_, &dispatcher.base(),
      [](evutil_socket_t, short, void* arg) -> void { 
          static_cast(arg)->cb_(); }, 
      this);
}

disableTimer被調(diào)用時其內(nèi)部會調(diào)用event_del來刪除事件，使事件成為非未決狀態(tài)，enableTimer被調(diào)用時則間接調(diào)用event_add使事件成為未決狀態(tài)，這樣一旦超時時間到了就會觸發(fā)超時事件。

void TimerImpl::disableTimer() { event_del(&raw_event_); }
void TimerImpl::enableTimer(const std::chrono::milliseconds& d) {
  if (d.count() == 0) {
    event_active(&raw_event_, EV_TIMEOUT, 0);
  } else {
    std::chrono::microseconds us = 
          std::chrono::duration_cast(d);
    timeval tv;
    tv.tv_sec = us.count() / 1000000;
    tv.tv_usec = us.count() % 1000000;
    event_add(&raw_event_, &tv);
  }
}

上面的代碼在計算timer時間timeval的時候?qū)崿F(xiàn)的并不優(yōu)雅，應該避免使用像1000000這樣的不具備可讀性的數(shù)字常量，社區(qū)中有人建議可以改成如下的形式。

auto secs = std::chrono::duration_cast(d);
auto usecs = 
  std::chrono::duration_cast(d - secs);
tv.tv_secs = secs.count();
tv.tv_usecs = usecs.count();

FileEvent

socket套接字相關(guān)的事件被封裝為FileEvent，其上暴露了二個接口：activate用于主動觸發(fā)事件，典型的使用場景比如: 喚醒EventLoop、Write Buffer有數(shù)據(jù)，可以主動觸發(fā)下可寫事件(Envoy中的典型使用場景)等；setEnabled用于設(shè)置事件類型，將事件添加到EventLoop中使其成為未決狀態(tài)。

void FileEventImpl::activate(uint32_t events) {
  int libevent_events = 0;
  if (events & FileReadyType::Read) {
    libevent_events |= EV_READ;
  }
  if (events & FileReadyType::Write) {
    libevent_events |= EV_WRITE;
  }
  if (events & FileReadyType::Closed) {
    libevent_events |= EV_CLOSED;
  }
  ASSERT(libevent_events);
  event_active(&raw_event_, libevent_events, 0);
}

void FileEventImpl::setEnabled(uint32_t events) {
  event_del(&raw_event_);
  assignEvents(events);
  event_add(&raw_event_, nullptr);
}

任務隊列

Dispatcher的內(nèi)部有一個任務隊列，也會創(chuàng)建一個線程專們處理任務隊列中的任務。通過Dispatcher的post方法可以將任務投遞到任務隊列中，交給Dispatcher內(nèi)的線程去處理。

void DispatcherImpl::post(std::function callback) {
  bool do_post;
  {
    Thread::LockGuard lock(post_lock_);
    do_post = post_callbacks_.empty();
    post_callbacks_.push_back(callback);
  }
  if (do_post) {
    post_timer_->enableTimer(std::chrono::milliseconds(0));
  }
}

post方法將傳遞進來的callback所代表的任務，添加到post_callbacks_所代表的類型為vector的成員表變量中。如果post_callbacks_為空的話，說明背后的處理線程是處于非活動狀態(tài)，這時通過post_timer_設(shè)置一個超時時間時間為0的方式來喚醒它。post_timer_在構(gòu)造的時候就已經(jīng)設(shè)置好對應的callback為runPostCallbacks，對應代碼如下:

DispatcherImpl::DispatcherImpl(TimeSystem& time_system,
                               Buffer::WatermarkFactoryPtr&& factory)
    : ......
      post_timer_(createTimer([this]() -> void { runPostCallbacks(); })),
      current_to_delete_(&to_delete_1_) {
  RELEASE_ASSERT(Libevent::Global::initialized(), "");
}

runPostCallbacks是一個while循環(huán)，每次都從post_callbacks_中取出一個callback所代表的任務去運行，直到post_callbacks_為空。每次運行runPostCallbacks都會確保所有的任務都執(zhí)行完。顯然，在runPostCallbacks被線程執(zhí)行的期間如果post進來了新的任務，那么新任務直接追加到post_callbacks_尾部即可，而無需做喚醒線程這一動作。

void DispatcherImpl::runPostCallbacks() {
  while (true) {
    std::function callback;
    {
      Thread::LockGuard lock(post_lock_);
      if (post_callbacks_.empty()) {
        return;
      }
      callback = post_callbacks_.front();
      post_callbacks_.pop_front();
    }
    callback();
  }
}

DeferredDeletable

最后講一下Dispatcher中比較難理解也很重要的DeferredDeletable，它是一個空接口，所有要進行延遲析構(gòu)的對象都要繼承自這個空接口。在Envoy的代碼中像下面這樣繼承自DeferredDeletable的類隨處可見。

class DeferredDeletable {
public:
  virtual ~DeferredDeletable() {}
};

那何為延遲析構(gòu)呢？用在哪個場景呢?延遲析構(gòu)指的是將析構(gòu)的動作交由Dispatcher來完成，所以DeferredDeletable和Dispatcher密切相關(guān)。Dispatcher對象有一個vector保存了所有要延遲析構(gòu)的對象。

class DispatcherImpl : public Dispatcher {
  ......
 private:
  ........
  std::vector to_delete_1_;
  std::vector to_delete_2_;
  std::vector* current_to_delete_;
 }

to_delete_1_和to_delete_2_就是用來存放所有的要延遲析構(gòu)的對象，這里使用兩個vector存放，為什么要這樣做呢?。current_to_delete_始終指向當前正要析構(gòu)的對象列表，每次執(zhí)行完析構(gòu)后就交替指向另外一個對象列表，來回交替。

void DispatcherImpl::clearDeferredDeleteList() {
  ASSERT(isThreadSafe());
  std::vector* to_delete = current_to_delete_;
  size_t num_to_delete = to_delete->size();
  if (deferred_deleting_ || !num_to_delete) {
    return;
  }
  ENVOY_LOG(trace, "clearing deferred deletion list (size={})", num_to_delete);
  if (current_to_delete_ == &to_delete_1_) {
    current_to_delete_ = &to_delete_2_;
  } else {
    current_to_delete_ = &to_delete_1_;
  }
  deferred_deleting_ = true;
  for (size_t i = 0; i < num_to_delete; i++) {
    (*to_delete)[i].reset();
  }

  to_delete->clear();
  deferred_deleting_ = false;
}

上面的代碼在執(zhí)行對象析構(gòu)的時候先使用to_delete來指向當前正要析構(gòu)的對象列表，然后將current_to_delete_指向另外一個列表，這樣在添加延遲刪除的對象時，就可以做到安全的把對象添加到列表中了。因為deferredDelete和clearDeferredDeleteList都是在同一個線程中運行，所以current_to_delete_是一個普通的指針，可以安全的更改指針指向另外一個，而不用擔心有線程安全問題。

void DispatcherImpl::deferredDelete(DeferredDeletablePtr&& to_delete) {
  ASSERT(isThreadSafe());
  current_to_delete_->emplace_back(std::move(to_delete));
  ENVOY_LOG(trace, "item added to deferred deletion list (size={})", current_to_delete_->size());
  if (1 == current_to_delete_->size()) {
    deferred_delete_timer_->enableTimer(std::chrono::milliseconds(0));
  }
}

當有要進行延遲析構(gòu)的對象時，調(diào)用deferredDelete即可，這個函數(shù)內(nèi)部會通過current_to_delete_把對象放到要延遲析構(gòu)的列表中，最后判斷下當前要延遲析構(gòu)的列表大小是否是1，如果是1表明這是第一次添加延遲析構(gòu)的對象，那么就需要通過deferred_delete_timer_把背后的線程喚醒執(zhí)行clearDeferredDeleteList函數(shù)。這樣做的原因是避免多次喚醒，因為有一種情況是線程已經(jīng)喚醒了正在執(zhí)行clearDeferredDeleteList，在這個過程中又有其他的對象需要析構(gòu)而加入到vector中。

到此為止deferredDelete的實現(xiàn)原理就基本分析完了，可以看出它的實現(xiàn)和任務隊列的實現(xiàn)很類似，只不過一個是循環(huán)執(zhí)行callback所代表的任務，另一個是對對象進行析構(gòu)。最后我們來看一下deferredDelete的應用場景，卻“為何要進行延遲析構(gòu)?”在Envoy的源代碼中經(jīng)常會看到像下面這樣的代碼片段。

ConnectionImpl::ConnectionImpl(Event::Dispatcher& dispatcher, 
                               ConnectionSocketPtr&& socket,
                               TransportSocketPtr&& transport_socket,
                               bool connected) {
......
  }
  // 傳遞裸指針到回調(diào)中
  file_event_ = dispatcher_.createFileEvent(
      fd(), [this](uint32_t events) -> void { onFileEvent(events); }, 
      Event::FileTriggerType::Edge,
      Event::FileReadyType::Read | Event::FileReadyType::Write);
    ......
}

傳遞給Dispatcher的callback都是通過裸指針的方式進行回調(diào)，如果進行回調(diào)的時候?qū)ο笠呀?jīng)析構(gòu)了，就會出現(xiàn)野指針的問題，我相信C++水平還可以的同學都會看出這個問題，除非能在邏輯上保證Dispatcher的生命周期比所有對象都短，這樣就能保證在回調(diào)的時候?qū)ο罂隙ú粫鰳?gòu)，但是這不可能成立的，因為Dispatcher是EventLoop的核心。

一個線程運行一個EventLoop直到線程結(jié)束，Dispatcher對象才會析構(gòu)，這意味著Dispatcher對象的生命周期是最長的。所以從邏輯上沒辦法保證進行回調(diào)的時候?qū)ο鬀]有析構(gòu)。可能有人會有疑問，對象在析構(gòu)的時候把注冊的事件取消不就可以避免野指針的問題嗎? 那如果事件已經(jīng)觸發(fā)了，callback正在等待運行呢？ 又或者callback運行了一半呢？前者libevent是可以保證的，在調(diào)用event_del的時候可以把處于等待運行的事件取消掉，但是后者就無能為力了，這個時候如果對象析構(gòu)了，那行為就是未定義了。沿著這個思路想一想，是不是只要保證對象析構(gòu)的時候沒有callback正在運行就可以解決問題了呢？是的，只要保證所有在執(zhí)行中的callback執(zhí)行完了，再做對象析構(gòu)就可以了?？梢岳?code>Dispatcher是順序執(zhí)行所有callback的特點，向Dispatcher中插入一個任務就是用來對象析構(gòu)的，那么當這個任務執(zhí)行的時候是可以保證沒有其他任何callback在運行。通過這個方法就完美解決了這里遇到的野指針問題了。

或許有人又會想，這里是不是可以用shared_ptr和shared_from_this來解這個呢? 是的，這是解決多線程環(huán)境下對象析構(gòu)的秘密武器，通過延長對象的生命周期，把對象的生命周期延長到和callback一樣，等callback執(zhí)行完再進行析構(gòu)，同樣可以達到效果，但是這帶來了兩個問題，第一就是對象生命周期被無限拉長，雖然延遲析構(gòu)也拉長了生命周期，但是時間是可預期的，一旦EventLoop執(zhí)行了clearDeferredDeleteList任務就會立刻被回收，而通過shared_ptr的方式其生命周期取決于callback何時運行，而callback何時運行這個是沒辦法保證的，比如一個等待socket的可讀事件進行回調(diào)，如果對端一直不發(fā)送數(shù)據(jù)，那么callback就一直不會被運行，對象就一直無法被析構(gòu)，長時間累積會導致內(nèi)存使用率上漲。第二就是在使用方式上侵入性較強，需要強制使用shared_ptr的方式創(chuàng)建對象。

Dispatcher總的來說其實現(xiàn)還是比較簡單明了的，比較容易驗證其正確性，同樣功能也相對較弱，和chromium的MessageLoop、boost的asio都是相似的用途，但是功能上差得比較多。好在這是專門給Envoy設(shè)計的，而且Envoy的場景也比較單一，不必做成那么通用的。另外一個我覺得比較奇怪的是，為什么在DeferredDeletable的實現(xiàn)中要用to_delete_1_和to_delete_2_兩個隊列交替來存放，其實按照我的理解一個隊列即可，因為clearDeferredDeleteList和deferredDelete是保證在同一個線程中執(zhí)行的，就和Dispatcher的任務隊列一樣，用一個隊列保存所有要執(zhí)行的任務，循環(huán)的執(zhí)行即可。但是Envoy中沒有這樣做，我理解這樣設(shè)計的原因可能是因為相比于任務隊列來說延遲析構(gòu)的重要性更低一些，大量對象的析構(gòu)如果保存在一個隊列中循環(huán)的進行析構(gòu)勢必會影響其他關(guān)鍵任務的執(zhí)行，所以這里拆分成兩個隊列，多個任務交替的執(zhí)行，就好比把一個大任務拆分成了好幾個小任務順序來執(zhí)行。

看完上述內(nèi)容，你們掌握Envoy源碼是如何分析Dispatcher的的方法了嗎？如果還想學到更多技能或想了解更多相關(guān)內(nèi)容，歡迎關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道，感謝各位的閱讀！

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