深入mongoDB（1）--mongod的线程模型与网络框架

最近工作需要开始研究mongoDB，我准备从其源代码角度，对于mongod和mongos服务的架构、sharding策略、replicaset策略、数据同步容灾、索引等机制做一个本质性的了解。其代码约20万行（我研究的是2.0.6版本源码），本篇先从mongod的启动流程说起，它本是一个多线程程序，所以本文在于说明mongod有多少个线程，每个线程的意义所在。希望大家阅读本文时关注在mongod的外围框架，暂不涉及数据文件的组织、索引B树的组织等，仅focus in在网络框架、线程模型上。

弄清楚这点的好处很明显：之后就可以有的放矢的研究mongod某个模块究竟是如何实现的，可以快速的跳到相应的类中阅读源码，解决我们在产品中的实际问题。我认为这是研究其庞大源码一个好的开始。

在说明mongod前，须了解mongoDB大量代码是基于boost库构建的，因此这里先行对boost库建立线程做个简单的了解。

1、boost库如何建立线程

boost::thread是boost中跨平台的多线程库，mongoDB创建线程时大多数情况下是使用thread库的（少量情况直接调用pthread_create方法），主要使用了以下两种方式：

（1）直接运行让线程运行func

例如durThread线程：

void durThread() {

while( !inShutdown() ) { ... }

}

boost::thread t(durThread);

（2）在类中定义静态的run方法，调用thread创建线程

class FileAllocator : boost::noncopyable {
static void run( FileAllocator * fa );

void FileAllocator::start() {
boost::thread t( boost::bind( &FileAllocator::run , this ) );
}
};

2、mongod的入口

mongod的入口main函数在src/mongo/db/db.cpp文件中，我画了个简单的活动图简要介绍其启动流程：

如上图所示，这里出现了12个固定线程，还没有包括mongod运行以后处理请求时派生出来的线程，如下所示：

– interruptThread

– DataFileSync::run

– FileAllocator::run

– durThread

– SnapshotThread::run

– ClientCursorMonitor::run

– PeriodicTask::Runner::run

– TTLMonitor::run

– replSlaveThread

– replMasterThread

– webServerThread

– 处理数据库请求的主线程

如果不属于任何replica set，那么至少有10个固定线程（去除replSlaveThread和replMasterThread）。

下面我们先讨论这10个固定的线程，再讨论性能非常弱的监听web事件的线程是怎样处理请求的，最后讨论性能稍好一点的主服务线程是怎样处理请求的。

3、5个基于BackgroundJob类实现的工作线程

这5个线程分别是DataFileSync,SnapshotThread, ClientCursorMonitor, TTLMonitor, PeriodicTask，类图如下所示：

上面这5个类也是用boost::threadfunction方法创建线程运行的，它们继承了BackgroundJob类，使用go方法启动线程执行jobBody就是在启动线程执行run方法，如下所示：

    BackgroundJob& BackgroundJob::go() {
        boost::thread t( boost::bind( &BackgroundJob::jobBody , this, _status ) );
        return *this;
    }
	
    void BackgroundJob::jobBody( boost::shared_ptr<JobStatus> status ) {
        ...
        run();
        ...
    }	

这些线程的意义如下：

DataFileSync主要在调用MemoryMappedFile::flush方法将内存中的数据刷到磁盘上。 我们知道，mongodb是调用mmap把磁盘中的数据映射到内存中的，所以必须有一个机制时刻的刷数据到硬盘才能保证可靠性，多久刷一次是与syncdelay参数相关的。

SnapshotThread将生成快照文件帮助快速恢复。

ClientCursorMonitor将管理用户的游标，每4秒调用一次idleTimeReport()方法，每一分钟调用sayMemoryStatus()方法。

TTLMonitor管理TTL，通过调用doTTLForDB()方法检查所有db。

PeriodicTask将从动态数组std::vector<PeriodicTask* > _tasks中获取周期性任务执行。

4、5个直接提供全局方法执行的线程

FileAllocator用于分配新文件，它决定分配文件的大小，例如用翻倍的方式。

interruptThread只处理信号量。

durThread做批量提交和回滚工作。

replSlaveThread是当前结点作为secondary时的同步线程。

replMasterThread是当前结点作为master时的同步线程。

5、web监听线程

mongod是如何处理web请求的呢？它是通过网络框架中的核心类Listerner实现的，类图如下所示：

怎么理解这幅类图呢？

首先看Listener类，它负责监听、创建新连接，其工作步骤如下：

a、创建socket句柄，绑定端口，监听

b、调用select检测新连接事件

c、对检测到的事件调用accept建立新连接

d、调用void Listener::acceptedMP(MessagingPort*mp)方法处理新连接，谁重新实现acceptedMP方法谁决定处理方式

这个Listener类既用于处理web请求，也用于处理普通的数据库请求。

OK，现在我们看web请求是如何处理的。MiniWebServer类继承了Listener类，它重新实现了acceptedMP方法，开始接收TCP流，解析HTTP协议，同时还会负责组装HTTP响应包并发送TCP流到客户端。那么实际完成http请求的类是谁呢？它是继承了MiniWebServer类的DbWebServer类。这个类重新实现了doRequest方法，它会在完整接收到HTTP请求后被调用，HTTP请求的处理过程不在本篇的讨论范围内，这里略过。但我们清楚了，这个线程采用同步的阻塞的方式处理请求，它意味着它同一时刻只能处理一个web请求，并发能力超级弱，还好web请求只是mongod的副业，仅用于查询状态。

6、主监听线程和数据请求的处理线程

处理数据库请求的是上图中的PortMessageServer 类，它运行在主线程中。

我们先看看PortMessageServer 类是如何实现acceptedMP方法的：

virtual voidacceptedMP(MessagingPort * p) {
	if ( !connTicketHolder.tryAcquire() ) {
		sleepmillis(2); // otherwisewe'll hard loop
		return;
	}
	 …
		int failed =pthread_create(&thread, &attrs, (void*(*)(void*)) &pms::threadRun,p);
		…
}

很清晰，它开启了一个线程独立的执行这个请求。虽然这种方式依然性能极差：大量的进程间上下文切换在等着我们，但总比web请求处理要好多了，而且mongod的并发能力本来就不是它的长项。

对于每个新连接，都会有类封装成对象，如下：

接下来pms::threadRun方法是在处理MessagingPort对象。

下面看看pms::threadRun方法中做了些什么：

void threadRun( MessagingPort *inPort) {
	TicketHolderReleaserconnTicketReleaser( &connTicketHolder );
	Message m;
	try {
		LastError * le = newLastError();
		lastError.reset( le ); //lastError now has ownership
		handler->connected( p.get());
		while ( ! inShutdown() ) {
			if ( ! p->recv(m) ) {
				p->shutdown();
				break;
			}
			handler->process( m ,p.get() , le );
		}
	}
	handler->disconnected( p.get());
}

可以看到，它会在这个连接上接收完整的请求，之后会调用handler的process方法。这个handler又是什么呢？如下图所示：

所以，普通的数据库请求是由MyMessageHandler的process方法处理的。这个方法里也只是个封装，真正处理业务的是全局方法assembleResponse。

assembleResponse方法中会按照8种操作方式分别的调用DataFileMgr中的方法处理实际文件，例如：

enum Operations {
	opReply = 1,     /* reply. responseTo is set. */
	dbMsg = 1000,    /* generic msg command followed by a string */
	dbUpdate = 2001, /* update object */
	dbInsert = 2002,
	//dbGetByOID = 2003,
	dbQuery = 2004,
	dbGetMore = 2005,
	dbDelete = 2006,
	dbKillCursors = 2007
};

在方法中有类似这样的代码在调用实际的业务类处理操作：

                else if ( op == dbInsert ) {
                    receivedInsert(m, currentOp);
                }
                else if ( op == dbUpdate ) {
                    receivedUpdate(m, currentOp);
                }
                else if ( op == dbDelete ) {
                    receivedDelete(m, currentOp);
                }

当然本篇志不在此，下篇我们再讨论索引和数据文件的操作。