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Web服務器詳解目錄

• 00 項目概述

• 01 線程同步機制包裝類

• 02 半同步/半反應堆線程池(上)

• 03 半同步/半反應堆線程池(下)

• 04 http連接處理(上)

• 05 http連接處理(中)

• 06 http連接處理(下)

• 07 定時器處理非活動連接(上)

• 08 定時器處理非活動連接(下)

• 09 日志系統(上)

• 10 日志系統(下)

• 11 數據連接池

• 12 注冊和登錄校驗

• 13 服務器測試

• 14 項目遇到的問題及解決方案

• 15 項目涉及的常見面試題

基礎知識

非活躍，是指客戶端(這里是瀏覽器)與服務器端建立連接后，長時間不交換數據，一直占用服務器端的文件描述符，導致連接資源的浪費。

定時事件，是指固定一段時間之后觸發某段代碼，由該段代碼處理一個事件，如定期檢測非活躍連接。

定時器，是指利用結構體或其他形式，將多種定時事件進行封裝起來。具體的，這里只涉及一種定時事件，即定期檢測非活躍連接，這里將該定時事件與連接資源封裝為一個結構體定時器。

定時器容器，是指使用某種容器類數據結構，將上述多個定時器組合起來，便于對定時事件統一管理。具體的，項目中使用升序鏈表將所有定時器串聯組織起來。

整體概述

本項目中，服務器主循環為每一個連接創建一個定時器，并對每個連接進行定時。另外，利用升序時間鏈表容器將所有定時器串聯起來，若主循環接收到定時通知，則在鏈表中依次執行定時任務。

Linux下提供了三種定時的方法:

• socket選項SO_RECVTIMEO和SO_SNDTIMEO

• SIGALRM信號

• I/O復用系統調用的超時參數

三種方法沒有一勞永逸的應用場景，也沒有絕對的優劣。由于項目中使用的是SIGALRM信號，這里僅對其進行介紹，另外兩種方法可以查閱游雙的Linux高性能服務器編程 第11章 定時器。

具體的，利用alarm函數周期性地觸發SIGALRM信號，信號處理函數利用管道通知主循環，主循環接收到該信號后對升序鏈表上所有定時器進行處理，若該段時間內沒有交換數據，則將該連接關閉，釋放所占用的資源。

從上面的簡要描述中，可以看出定時器處理非活動連接模塊，主要分為兩部分，其一為定時方法與信號通知流程，其二為定時器及其容器設計與定時任務的處理。

本文內容

本篇將介紹定時方法與信號通知流程，具體的涉及到基礎API、信號通知流程和代碼實現。

基礎API，描述sigaction結構體、sigaction函數、sigfillset函數、SIGALRM信號、SIGTERM信號、alarm函數、socketpair函數、send函數。

信號通知流程，介紹統一事件源和信號處理機制。

代碼實現，結合代碼對信號處理函數的設計與使用進行詳解。

基礎API

為了更好的源碼閱讀體驗，這里提前對代碼中使用的一些API進行簡要介紹，更豐富的用法可以自行查閱資料。

sigaction結構體

1struct?sigaction?{
2????void?(*sa_handler)(int);
3????void?(*sa_sigaction)(int,?siginfo_t?*,?void?*);
4????sigset_t?sa_mask;
5????int?sa_flags;
6????void?(*sa_restorer)(void);
7}

• sa_handler是一個函數指針，指向信號處理函數

• sa_sigaction同樣是信號處理函數，有三個參數，可以獲得關于信號更詳細的信息

• sa_mask用來指定在信號處理函數執行期間需要被屏蔽的信號

• sa_flags用于指定信號處理的行為

  • SA_RESTART，使被信號打斷的系統調用自動重新發起

  • SA_NOCLDSTOP，使父進程在它的子進程暫停或繼續運行時不會收到 SIGCHLD 信號

  • SA_NOCLDWAIT，使父進程在它的子進程退出時不會收到 SIGCHLD 信號，這時子進程如果退出也不會成為僵尸進程

  • SA_NODEFER，使對信號的屏蔽無效，即在信號處理函數執行期間仍能發出這個信號

  • SA_RESETHAND，信號處理之后重新設置為默認的處理方式

  • SA_SIGINFO，使用 sa_sigaction 成員而不是 sa_handler 作為信號處理函數

• sa_restorer一般不使用

sigaction函數

1#include?
2
3int?sigaction(int?signum,?const?struct?sigaction?*act,?struct?sigaction?*oldact);

• signum表示操作的信號。

• act表示對信號設置新的處理方式。

• oldact表示信號原來的處理方式。

• 返回值，0 表示成功，-1 表示有錯誤發生。

sigfillset函數

1#include?
2
3int?sigfillset(sigset_t?*set);

用來將參數set信號集初始化，然后把所有的信號加入到此信號集里。

SIGALRM、SIGTERM信號

1#define?SIGALRM??14?????//由alarm系統調用產生timer時鐘信號
2#define?SIGTERM??15?????//終端發送的終止信號

alarm函數

1#include?;
2
3unsigned?int?alarm(unsigned?int?seconds);

設置信號傳送鬧鐘，即用來設置信號SIGALRM在經過參數seconds秒數后發送給目前的進程。如果未設置信號SIGALRM的處理函數，那么alarm()默認處理終止進程.

socketpair函數

在linux下，使用socketpair函數能夠創建一對套接字進行通信，項目中使用管道通信。

1#include?
2#include?
3
4int?socketpair(int?domain,?int?type,?int?protocol,?int?sv[2]);

• domain表示協議族，PF_UNIX或者AF_UNIX

• type表示協議，可以是SOCK_STREAM或者SOCK_DGRAM，SOCK_STREAM基于TCP，SOCK_DGRAM基于UDP

• protocol表示類型，只能為0

• sv[2]表示套節字柄對，該兩個句柄作用相同，均能進行讀寫雙向操作

• 返回結果， 0為創建成功，-1為創建失敗

send函數

1#include?
2#include?
3
4ssize_t?send(int?sockfd,?const?void?*buf,?size_t?len,?int?flags);

當套接字發送緩沖區變滿時，send通常會阻塞，除非套接字設置為非阻塞模式，當緩沖區變滿時，返回EAGAIN或者EWOULDBLOCK錯誤，此時可以調用select函數來監視何時可以發送數據。

信號通知流程

Linux下的信號采用的異步處理機制，信號處理函數和當前進程是兩條不同的執行路線。具體的，當進程收到信號時，操作系統會中斷進程當前的正常流程，轉而進入信號處理函數執行操作，完成后再返回中斷的地方繼續執行。

為避免信號競態現象發生，信號處理期間系統不會再次觸發它。所以，為確保該信號不被屏蔽太久，信號處理函數需要盡可能快地執行完畢。

一般的信號處理函數需要處理該信號對應的邏輯，當該邏輯比較復雜時，信號處理函數執行時間過長，會導致信號屏蔽太久。

這里的解決方案是，信號處理函數僅僅發送信號通知程序主循環，將信號對應的處理邏輯放在程序主循環中，由主循環執行信號對應的邏輯代碼。

統一事件源

統一事件源，是指將信號事件與其他事件一樣被處理。

具體的，信號處理函數使用管道將信號傳遞給主循環，信號處理函數往管道的寫端寫入信號值，主循環則從管道的讀端讀出信號值，使用I/O復用系統調用來監聽管道讀端的可讀事件，這樣信號事件與其他文件描述符都可以通過epoll來監測，從而實現統一處理。

信號處理機制

每個進程之中，都有存著一個表，里面存著每種信號所代表的含義，內核通過設置表項中每一個位來標識對應的信號類型。

• 信號的接收

  • 接收信號的任務是由內核代理的，當內核接收到信號后，會將其放到對應進程的信號隊列中，同時向進程發送一個中斷，使其陷入內核態。注意，此時信號還只是在隊列中，對進程來說暫時是不知道有信號到來的。

• 信號的檢測

  • 進程從內核態返回到用戶態前進行信號檢測

  • 進程在內核態中，從睡眠狀態被喚醒的時候進行信號檢測

  • 進程陷入內核態后，有兩種場景會對信號進行檢測：

  • 當發現有新信號時，便會進入下一步，信號的處理。

• 信號的處理

  • ( 內核 )信號處理函數是運行在用戶態的，調用處理函數前，內核會將當前內核棧的內容備份拷貝到用戶棧上，并且修改指令寄存器(eip)將其指向信號處理函數。

  • ( 用戶 )接下來進程返回到用戶態中，執行相應的信號處理函數。

  • ( 內核 )信號處理函數執行完成后，還需要返回內核態，檢查是否還有其它信號未處理。

  • ( 用戶 )如果所有信號都處理完成，就會將內核棧恢復(從用戶棧的備份拷貝回來)，同時恢復指令寄存器(eip)將其指向中斷前的運行位置，最后回到用戶態繼續執行進程。

至此，一個完整的信號處理流程便結束了，如果同時有多個信號到達，上面的處理流程會在第2步和第3步驟間重復進行。

代碼分析

信號處理函數

自定義信號處理函數，創建sigaction結構體變量，設置信號函數。

1//信號處理函數
2void?sig_handler(int?sig) 3{
4????//為保證函數的可重入性，保留原來的errno
5????//可重入性表示中斷后再次進入該函數，環境變量與之前相同，不會丟失數據
6????int?save_errno?=?errno;
7????int?msg?=?sig;
8
9????//將信號值從管道寫端寫入，傳輸字符類型，而非整型
10????send(pipefd[1],?(char?*)&msg,?1,?0);
11
12????//將原來的errno賦值為當前的errno
13????errno?=?save_errno;
14}

信號處理函數中僅僅通過管道發送信號值，不處理信號對應的邏輯，縮短異步執行時間，減少對主程序的影響。

1//設置信號函數
2void?addsig(int?sig,?void(handler)(int),?bool?restart?=?true)
3{
4????//創建sigaction結構體變量
5????struct?sigaction?sa;
6????memset(&sa,?'\0',?sizeof(sa));
7
8????//信號處理函數中僅僅發送信號值，不做對應邏輯處理
9????sa.sa_handler?=?handler;
10????if?(restart)
11????????sa.sa_flags?|=?SA_RESTART;
12????//將所有信號添加到信號集中
13????sigfillset(&sa.sa_mask);
14
15????//執行sigaction函數
16????assert(sigaction(sig,?&sa,?NULL)?!=?-1);
17}

項目中設置信號函數，僅關注SIGTERM和SIGALRM兩個信號。

信號通知邏輯

• 創建管道，其中管道寫端寫入信號值，管道讀端通過I/O復用系統監測讀事件

• 設置信號處理函數SIGALRM(時間到了觸發)和SIGTERM(kill會觸發，Ctrl+C)

  • 通過struct sigaction結構體和sigaction函數注冊信號捕捉函數

  • 在結構體的handler參數設置信號處理函數，具體的，從管道寫端寫入信號的名字

• 利用I/O復用系統監聽管道讀端文件描述符的可讀事件

• 信息值傳遞給主循環，主循環再根據接收到的信號值執行目標信號對應的邏輯代碼

代碼分析

1//創建管道套接字
2ret?=?socketpair(PF_UNIX,?SOCK_STREAM,?0,?pipefd);
3assert(ret?!=?-1);
4
5//設置管道寫端為非阻塞，為什么寫端要非阻塞？
6setnonblocking(pipefd[1]);
7
8//設置管道讀端為ET非阻塞
9addfd(epollfd,?pipefd[0],?false);
10
11//傳遞給主循環的信號值，這里只關注SIGALRM和SIGTERM
12addsig(SIGALRM,?sig_handler,?false);
13addsig(SIGTERM,?sig_handler,?false);
14
15//循環條件
16bool?stop_server?=?false;
17
18//超時標志
19bool?timeout?=?false;
20
21//每隔TIMESLOT時間觸發SIGALRM信號
22alarm(TIMESLOT);
23
24while?(!stop_server)
25{
26????//監測發生事件的文件描述符
27????int?number?=?epoll_wait(epollfd,?events,?MAX_EVENT_NUMBER,?-1);
28????if?(number?0?&&?errno?!=?EINTR)
29????{
30????????break;
31????}
32
33????//輪詢文件描述符
34????for?(int?i?=?0;?i?35????{
36????????int?sockfd?=?events[i].data.fd;
37
38????????//管道讀端對應文件描述符發生讀事件
39????????if?((sockfd?==?pipefd[0])?&&?(events[i].events?&?EPOLLIN))
40????????{
41????????????int?sig;
42????????????char?signals[1024];
43
44????????????//從管道讀端讀出信號值，成功返回字節數，失敗返回-1
45????????????//正常情況下，這里的ret返回值總是1，只有14和15兩個ASCII碼對應的字符
46????????????ret?=?recv(pipefd[0],?signals,?sizeof(signals),?0);
47????????????if?(ret?==?-1)
48????????????{
49????????????????//?handle?the?error
50????????????????continue;
51????????????}
52????????????else?if?(ret?==?0)
53????????????{
54????????????????continue;
55????????????}
56????????????else
57????????????{
58????????????????//處理信號值對應的邏輯
59????????????????for?(int?i?=?0;?i?60????????????????{
61????????????????????//這里面明明是字符
62????????????????????switch?(signals[i])
63????????????????????{
64????????????????????//這里是整型
65????????????????????case?SIGALRM:
66????????????????????{
67????????????????????????timeout?=?true;
68????????????????????????break;
69????????????????????}
70????????????????????case?SIGTERM:
71????????????????????{
72????????????????????????stop_server?=?true;
73????????????????????}
74????????????????????}
75????????????????}
76????????????}
77????????}
78????}
79}

為什么管道寫端要非阻塞？

send是將信息發送給套接字緩沖區，如果緩沖區滿了，則會阻塞，這時候會進一步增加信號處理函數的執行時間，為此，將其修改為非阻塞。

沒有對非阻塞返回值處理，如果緩沖區滿了是不是意味著這一次定時事件失效了？

是的，但定時事件是非必須立即處理的事件，可以允許這樣的情況發生。

管道傳遞的是什么類型？switch-case的變量沖突？

信號本身是整型數值，管道中傳遞的是ASCII碼表中整型數值對應的字符。switch的變量一般為字符或整型，當為字符時，case中可以是字符，也可以是字符對應的ASCII碼。

如果本文對你有幫助，閱讀原文star一下服務器項目，我們需要你的星星。

完。

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總結

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