Memcached源码分析(线程模型)

目前网上关于memcached的分析主要是内存管理部分，下面对memcached的线程模型做下简单分析
有不对的地方还请大家指正,对memcahced和libevent不熟悉的请先google之

先看下memcahced启动时线程处理的流程


memcached的多线程主要是通过实例化多个libevent实现的,分别是一个主线程和n个workers线程
无论是主线程还是workers线程全部通过libevent管理网络事件，实际上每个线程都是一个单独的libevent实例

主线程负责监听客户端的建立连接请求，以及accept 连接
workers线程负责处理已经建立好的连接的读写等事件

先看一下大致的图示：


首先看下主要的数据结构(thread.c)：

/* An item in the connection queue. */
typedef struct conn_queue_item CQ_ITEM;
struct conn_queue_item {
    int     sfd;
    int     init_state;
    int     event_flags;
    int     read_buffer_size;
    int     is_udp;
    CQ_ITEM *next;
};

CQ_ITEM 实际上是主线程accept后返回的已建立连接的fd的封装

/* A connection queue. */
typedef struct conn_queue CQ;
struct conn_queue {
    CQ_ITEM *head;
    CQ_ITEM *tail;
    pthread_mutex_t lock;
    pthread_cond_t  cond;
};

CQ是一个管理CQ_ITEM的单向链表

typedef struct {
    pthread_t thread_id;        /* unique ID of this thread */
    struct event_base *base;    /* libevent handle this thread uses */
    struct event notify_event;  /* listen event for notify pipe */
    int notify_receive_fd;      /* receiving end of notify pipe */
    int notify_send_fd;         /* sending end of notify pipe */
    CQ  new_conn_queue;         /* queue of new connections to handle */
} LIBEVENT_THREAD;

这是memcached里的线程结构的封装，可以看到每个线程都包含一个CQ队列，一条通知管道pipe
和一个libevent的实例event_base

另外一个重要的最重要的结构是对每个网络连接的封装conn

typedef struct{
  int sfd;
  int state;
  struct event event;
  short which;
  char *rbuf;
  ... //这里省去了很多状态标志和读写buf信息等
}conn;

memcached主要通过设置/转换连接的不同状态，来处理事件（核心函数是drive_machine）

下面看下线程的初始化流程：

在memcached.c的main函数中，首先对主线程的libevent做了初始化

/* initialize main thread libevent instance */
 main_base = event_init();

然后初始化所有的workers线程，并启动，启动过程细节在后面会有描述

/* start up worker threads if MT mode */
thread_init(settings.num_threads, main_base);

接着主线程调用（这里只分析tcp的情况，目前memcached支持udp方式）

server_socket(settings.port, 0)

这个方法主要是封装了创建监听socket，绑定地址，设置非阻塞模式并注册监听socket的
libevent 读事件等一系列操作

然后主线程调用

/* enter the event loop */
event_base_loop(main_base, 0);

这时主线程启动开始通过libevent来接受外部连接请求，整个启动过程完毕

下面看看thread_init是怎样启动所有workers线程的，看一下thread_init里的核心代码

void thread_init(int nthreads, struct event_base *main_base) {
 //。。。省略
   threads = malloc(sizeof(LIBEVENT_THREAD) * nthreads);
    if (! threads) {
        perror("Can't allocate thread descriptors");
        exit(1);
    }

    threads[0].base = main_base;
    threads[0].thread_id = pthread_self();

    for (i = 0; i < nthreads; i++) {
        int fds[2];
        if (pipe(fds)) {
            perror("Can't create notify pipe");
            exit(1);
        }

        threads[i].notify_receive_fd = fds[0];
        threads[i].notify_send_fd = fds[1];

    setup_thread(&threads[i]);
    }

    /* Create threads after we've done all the libevent setup. */
    for (i = 1; i < nthreads; i++) {
        create_worker(worker_libevent, &threads[i]);
    }
}

threads的声明是这样的
static LIBEVENT_THREAD *threads;

thread_init首先malloc线程的空间，然后第一个threads作为主线程，其余都是workers线程
然后为每个线程创建一个pipe，这个pipe被用来作为主线程通知workers线程有新的连接到达

看下setup_thread

static void setup_thread(LIBEVENT_THREAD *me) {
    if (! me->base) {
        me->base = event_init();
        if (! me->base) {
            fprintf(stderr, "Can't allocate event base\n");
            exit(1);
        }
    }

    /* Listen for notifications from other threads */
    event_set(&me->notify_event, me->notify_receive_fd,
              EV_READ | EV_PERSIST, thread_libevent_process, me);
    event_base_set(me->base, &me->notify_event);

    if (event_add(&me->notify_event, 0) == -1) {
        fprintf(stderr, "Can't monitor libevent notify pipe\n");
        exit(1);
    }

    cq_init(&me->new_conn_queue);
}

setup_thread主要是创建所有workers线程的libevent实例（主线程的libevent实例在main函数中已经建立）

由于之前 threads[0].base = main_base;所以第一个线程（主线程）在这里不会执行event_init()
然后就是注册所有workers线程的管道读端的libevent的读事件，等待主线程的通知
最后在该方法里将所有的workers的CQ初始化了

create_worker实际上就是真正启动了线程，pthread_create调用worker_libevent方法，该方法执行
event_base_loop启动该线程的libevent

这里我们需要记住每个workers线程目前只在自己线程的管道的读端有数据时可读时触发，并调用
thread_libevent_process方法

看一下这个函数

static void thread_libevent_process(int fd, short which, void *arg){
    LIBEVENT_THREAD *me = arg;
    CQ_ITEM *item;
    char buf[1];

    if (read(fd, buf, 1) != 1)
        if (settings.verbose > 0)
            fprintf(stderr, "Can't read from libevent pipe\n");

    item = cq_peek(&me->new_conn_queue);

    if (NULL != item) {
        conn *c = conn_new(item->sfd, item->init_state, item->event_flags,
                           item->read_buffer_size, item->is_udp, me->base);
        。。。//省略
    }
}

函数参数的fd是这个线程的管道读端的描述符
首先将管道的1个字节通知信号读出（这是必须的，在水平触发模式下如果不处理该事件，则会被循环通知，知道事件被处理）

cq_peek是从该线程的CQ队列中取队列头的一个CQ_ITEM,这个CQ_ITEM是被主线程丢到这个队列里的，item->sfd是已经建立的连接
的描述符，通过conn_new函数为该描述符注册libevent的读事件，me->base是代表自己的一个线程结构体，就是说对该描述符的事件
处理交给当前这个workers线程处理,conn_new方法的最重要的内容是：

conn *conn_new(const int sfd, const int init_state, const int event_flags,
                const int read_buffer_size, const bool is_udp, struct event_base *base) {
	。。。
            event_set(&c->event, sfd, event_flags, event_handler, (void *)c);
 	    event_base_set(base, &c->event);
	    c->ev_flags = event_flags;
	    if (event_add(&c->event, 0) == -1) {
		if (conn_add_to_freelist(c)) {
		    conn_free(c);
		}
		perror("event_add");
		return NULL;
	    }
	。。。
}

可以看到新的连接被注册了一个事件（实际是EV_READ|EV_PERSIST）,由当前线程处理（因为这里的event_base是该workers线程自己的）
当该连接有可读数据时会回调event_handler函数，实际上event_handler里主要是调用memcached的核心方法drive_machine

最后看看主线程是如何通知workers线程处理新连接的，主线程的libevent注册的是监听socket描述字的可读事件，就是说
当有建立连接请求时，主线程会处理，回调的函数是也是event_handler（因为实际上主线程也是通过conn_new初始化的监听socket 的libevent可读事件）

最后看看memcached网络事件处理的最核心部分- drive_machine
需要铭记于心的是drive_machine是多线程环境执行的，主线程和workers都会执行drive_machine

static void drive_machine(conn *c) {
    bool stop = false;
    int sfd, flags = 1;
    socklen_t addrlen;
    struct sockaddr_storage addr;
    int res;

    assert(c != NULL);

    while (!stop) {

        switch(c->state) {
        case conn_listening:
            addrlen = sizeof(addr);
            if ((sfd = accept(c->sfd, (struct sockaddr *)&addr, &addrlen)) == -1) {
                //省去n多错误情况处理
                break;
            }
            if ((flags = fcntl(sfd, F_GETFL, 0)) < 0 ||
                fcntl(sfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK) < 0) {
                perror("setting O_NONBLOCK");
                close(sfd);
                break;
            }
            dispatch_conn_new(sfd, conn_read, EV_READ | EV_PERSIST,
                                     DATA_BUFFER_SIZE, false);
            break;

        case conn_read:
            if (try_read_command(c) != 0) {
                continue;
            }
	    ....//省略
     }     
 }

首先大家不到被while循环误导（大部分做java的同学都会马上联想到是个周而复始的loop）其实while通常满足一个
case后就会break了，这里用while是考虑到垂直触发方式下，必须读到EWOULDBLOCK错误才可以

言归正传，drive_machine主要是通过当前连接的state来判断该进行何种处理，因为通过libevent注册了读写时间后回调的都是
这个核心函数，所以实际上我们在注册libevent相应事件时，会同时把事件状态写到该conn结构体里，libevent进行回调时会把
该conn结构作为参数传递过来，就是该方法的形参

memcached里连接的状态通过一个enum声明

enum conn_states {
    conn_listening,  /** the socket which listens for connections */
    conn_read,       /** reading in a command line */
    conn_write,      /** writing out a simple response */
    conn_nread,      /** reading in a fixed number of bytes */
    conn_swallow,    /** swallowing unnecessary bytes w/o storing */
    conn_closing,    /** closing this connection */
    conn_mwrite,     /** writing out many items sequentially */
};

实际对于case conn_listening:这种情况是主线程自己处理的，workers线程永远不会执行此分支
我们看到主线程进行了accept后调用了
  dispatch_conn_new(sfd, conn_read, EV_READ | EV_PERSIST,DATA_BUFFER_SIZE, false);

  这个函数就是通知workers线程的地方，看看

 

void dispatch_conn_new(int sfd, int init_state, int event_flags,
                       int read_buffer_size, int is_udp) {
    CQ_ITEM *item = cqi_new();
    int thread = (last_thread + 1) % settings.num_threads;

    last_thread = thread;

    item->sfd = sfd;
    item->init_state = init_state;
    item->event_flags = event_flags;
    item->read_buffer_size = read_buffer_size;
    item->is_udp = is_udp;

    cq_push(&threads[thread].new_conn_queue, item);

    MEMCACHED_CONN_DISPATCH(sfd, threads[thread].thread_id);
    if (write(threads[thread].notify_send_fd, "", 1) != 1) {
        perror("Writing to thread notify pipe");
    }
}

可以清楚的看到，主线程首先创建了一个新的CQ_ITEM，然后通过round robin策略选择了一个thread
并通过cq_push将这个CQ_ITEM放入了该线程的CQ队列里，那么对应的workers线程是怎么知道的呢

就是通过这个
write(threads[thread].notify_send_fd, "", 1）
向该线程管道写了1字节数据，则该线程的libevent立即回调了thread_libevent_process方法（上面已经描述过）

然后那个线程取出item,注册读时间，当该条连接上有数据时，最终也会回调drive_machine方法，也就是
drive_machine方法的 case conn_read:等全部是workers处理的，主线程只处理conn_listening 建立连接这个

这部分代码确实比较多，没法全部贴出来，请大家参考源码，最新版本1.2.6，我省去了很多优化的地方
比如，每个CQ_ITEM被malloc时会一次malloc很多个，以减小碎片的产生等等细节。

时间仓促，有纰漏的地方，欢迎大家拍砖。

评论

10 楼 yxnyxnyxnyxnyxn 2012-06-14  

正需要这个 太感谢了

9 楼 bachmozart 2009-10-15  

要是没有那个全局统计的stats 也就基本没有锁了，那更快

8 楼 mathgl 2009-10-15  

memcached..几乎没有什么 计算密集型的部分，少量 workers足够支撑了。

7 楼 dennis_zane 2009-10-14  

diddyrock 写道

呵呵我指是多个instance,我能够创建多个instance么，比如server machine A 创建多个instances 去连server machine B 的memcached,server a 性能会有很大影响么？还是说最好保持少量的client instance?我看了spy主页上说spy是single thread的，是不是意味着最好singleton调用?还有就是java 的client好像不止一个，除了spy还有其他一些，这些不同的client有没有什么优劣啊？多谢哈！

Spymemcached是单线程的，一个client建立一个连接到memcached，因为是基于nio的，单个连接的性能已经足够应付大多数场景下的并发请求。我写的xmemcached支持nio的连接池，允许一个client建立多个连接到一个memcached，有兴趣可以看看
http://code.google.com/p/xmemcached/

java memcached client之间的优劣，粗略来说，官方提供的阻塞连接池版本的性能会比较差，特别在高并发下，spymemcached和xmemcached都是基于java nio，在资源使用上比较省，并且高并发下会有很好的表现。

6 楼 crackcell 2009-03-28  

关于这个，网上有篇翻译的文章叫《memcache全面剖析》，还不错，值得一看
http://tech.idv2.com/2008/07/10/memcached-001/

5 楼 diddyrock 2009-03-19  

呵呵我指是多个instance,我能够创建多个instance么，比如server machine A 创建多个instances 去连server machine B 的memcached,server a 性能会有很大影响么？还是说最好保持少量的client instance?我看了spy主页上说spy是single thread的，是不是意味着最好singleton调用?还有就是java 的client好像不止一个，除了spy还有其他一些，这些不同的client有没有什么优劣啊？多谢哈！

4 楼 bachmozart 2009-03-18  

不知道你说的多个client是指的是多个spymemcached instance还是多条连接

memcached server 应该可以支撑10k以上的连接，连接数量增大，服务器端开销当然会有所增加啦

3 楼 diddyrock 2009-03-18  

问下楼主，spymemcached可以同时创建多个client么？memcached多client情况下会有什么弊端么？本人新手，自己摸索不及高人一句点拨啊，多谢

2 楼 bachmozart 2009-03-12  

memcached 实际没有耗时的业务处理，接受新的连接请求后，round robin到一个workers thread队列里，该条连接的后续读写事件完全由这个workers thread处理

分配策略就是简单的  current_thread +1 % workers.size

我觉得如果按大部分情况所说的对workers和dispatcher的定义 dispatcher负责处理网络io事件，workers 处理耗时的业务逻辑，那么memcached是没有耗时业务逻辑处理的（只需要读写一下内存池）

也就是说是memcached是 N个dispatcher线程处理网络IO, No workers

说法可能不一样，意思是一样的

1 楼 raojl 2009-03-12  

写的不错，不知道有没有对workthreads的任务有个很好分配策略！！