Golang 高性能网络库 evio 源码解析

2021年3月30日 220点热度 0人点赞 0条评论

evio 是一个基于事件驱动的网络框架，它非常轻量而且相比 Go net 标准库更快。其底层使用epoll 和 kqueue 系统调度实现。

转自：https://blog.csdn.net/linux_Allen/article/details/99684013

参考：go语言中文文档;www.topgoer.com

原理

evio 是 Reactor 模式的简单实现。Reactor 本质就是“non-blocking IO + IO multiplexing”，通过非阻塞IO+ IO 多路复用来处理并发。程序运行一个或者多个事件循环，通过在事件循环中注册回调的方式实现业务逻辑。

evio 将所有文件描述符设为非阻塞，并注册到事件循环（ epoll / kqueue ）中。相较于传统的 per thread per connection 的处理方法，线程使用更少，线程资源利用率更高。

evio 需要在服务启动前，注册回调函数，当事件循环中有事件到来时，会调用回调函数处理。

使用示例

先从一个简单的 echo server 的例子来了解 evio 。

package main

import (
 "flag"
 "fmt"
 "log"
 "strings"

 "github.com/tidwall/evio"
)

func main() {
 var port int
 var loops int
 var udp bool
 var trace bool
 var reuseport bool
 var stdlib bool

 flag.IntVar(&port, "port", 5000, "server port")
 flag.BoolVar(&udp, "udp", false, "listen on udp")
 flag.BoolVar(&reuseport, "reuseport", false, "reuseport (SO_REUSEPORT)")
 flag.BoolVar(&trace, "trace", false, "print packets to console")
 flag.IntVar(&loops, "loops", 0, "num loops")
 flag.BoolVar(&stdlib, "stdlib", false, "use stdlib")
 flag.Parse()

 var events evio.Events
 events.NumLoops = loops
 events.Serving = func(srv evio.Server) (action evio.Action) {
  log.Printf("echo server started on port %d (loops: %d)", port, srv.NumLoops)
  if reuseport {
   log.Printf("reuseport")
  }
  if stdlib {
   log.Printf("stdlib")
  }
  return
 }
 events.Data = func(c evio.Conn, in []byte) (out []byte, action evio.Action) {
  if trace {
   log.Printf("%s", strings.TrimSpace(string(in)))
  }
  out = in
  return
 }
 scheme := "tcp"
 if udp {
  scheme = "udp"
 }
 if stdlib {
  scheme += "-net"
 }
 log.Fatal(evio.Serve(events, fmt.Sprintf("%s://:%d?reuseport=%t", scheme, port, reuseport)))
}

上面的例子主要就是注册了两个回调函数：events.Serving 和 events.Data 。

当 server 启动时，会来执行注册的 events.Serving 回调函数；
当有数据到来时，执行 events.Data 回调函数。

程序最后调用 evio.Serve 方法开启事件循环，程序在此处不断循环检测是否有事件发生并处理（有数据到来，有数据要发送…)。

evio 都是通过回调函数来执行业务逻辑的。当客户端有数据发送过来时，调用用户注册的 events.Data 函数。

需要发送数据给客户端时，只可以通过注册的回调函数的返回值来返回，evio 框架来负责发送（有bug）。

回调函数的返回值主要有两个 out []byte, action evio.Action , out 就是需要发送给客户端的， Action 就是返回一些状态，用来关闭连接，或者服务器退出啥的操作。主要状态如下：

const (
 // None indicates that no action should occur following an event.
 None Action = iota
 // Detach detaches a connection. Not available for UDP connections.
 Detach
 // Close closes the connection.
 Close
 // Shutdown shutdowns the server.
 Shutdown
)

evio 的事件循环

evio.Serve

我们先来看下 evio.Serve 方法的实现

func Serve(events Events, addr ...string) error {

 var lns []*listener
 defer func() {
    // 这个函数如果推出，需要关闭所有 listener
  for _, ln := range lns {
   ln.close()
  }
 }()
 var stdlib bool
    // 可以选择使用 stdlib（stdlib 主要是为了支持 非 *unix 平台）
 for _, addr := range addr {
 // 生成 listener
  var ln listener
  var stdlibt bool
  ln.network, ln.addr, ln.opts, stdlibt = parseAddr(addr)
  if stdlibt {
   stdlib = true
  }
  if ln.network == "unix" {
   os.RemoveAll(ln.addr)
  }
  var err error
  if ln.network == "udp" {
   if ln.opts.reusePort {
    ln.pconn, err = reuseportListenPacket(ln.network, ln.addr)
   } else {
    ln.pconn, err = net.ListenPacket(ln.network, ln.addr)
   }
  } else {
   if ln.opts.reusePort {
    ln.ln, err = reuseportListen(ln.network, ln.addr)
   } else {
    ln.ln, err = net.Listen(ln.network, ln.addr)
   }
  }
  if err != nil {
   return err
  }
  if ln.pconn != nil {
   ln.lnaddr = ln.pconn.LocalAddr()
  } else {
   ln.lnaddr = ln.ln.Addr()
  }
  if !stdlib {
   if err := ln.system(); err != nil {
    return err
   }
  }
  lns = append(lns, &ln)
 }
 if stdlib {
  return stdserve(events, lns)
  // 使用 std net 库 启动server
 }
 return serve(events, lns)
    // 使用 epoll or kqueue 启动server
}

从 Serve 函数签名中可以看出 evio 是支持绑定多地址监听的

func  Serve(events Events, addr ...string)  error

使用方式如下：

evio.Serve(events, "tcp://localhost:5000", "tcp://192.168.0.10:5001");

现在我们看看 evio 的核心部分: serve(events, lns)
，这里会启动 evio 的 sever 。

func serve(events Events, listeners []*listener) error {
 numLoops := events.NumLoops    // 确定启动的事件循环数量
 if numLoops <= 0 {
  if numLoops == 0 {
   numLoops = 1
  } else {
   numLoops = runtime.NumCPU()
  }
 }

 s := &server{}
 s.events = events
 s.lns = listeners
 s.cond = sync.NewCond(&sync.Mutex{})
 s.balance = events.LoadBalance
 s.tch = make(chan time.Duration)

 //println("-- server starting")
 if s.events.Serving != nil {     // 如果注册了回调函数，就执行
  var svr Server
  svr.NumLoops = numLoops
  svr.Addrs = make([]net.Addr, len(listeners))
  for i, ln := range listeners {
   svr.Addrs[i] = ln.lnaddr
  }
  action := s.events.Serving(svr)
  switch action {
  case None:
  case Shutdown:
   return nil
  }
 }

 defer func() {         // server 退出后的清理工作
  // wait on a signal for shutdown
  s.waitForShutdown()

  // notify all loops to close by closing all listeners
  for _, l := range s.loops {
   l.poll.Trigger(errClosing)
  }

  // wait on all loops to complete reading events
  s.wg.Wait()

  // close loops and all outstanding connections
  for _, l := range s.loops {
   for _, c := range l.fdconns {
    loopCloseConn(s, l, c, nil)
   }
   l.poll.Close()
  }
  //println("-- server stopped")
 }()

 // create loops locally and bind the listeners.
 for i := 0; i < numLoops; i++ {
  l := &loop{
   idx:     i,
   poll:    internal.OpenPoll(),
   packet:  make([]byte, 0xFFFF),  // event loop 的 read 缓冲区
   fdconns: make(map[int]*conn),
  }
  for _, ln := range listeners {
   l.poll.AddRead(ln.fd)   // 将 fd 注册到 epoll 中并监听可读事件
  }
  s.loops = append(s.loops, l)
 }
 // start loops in background
 s.wg.Add(len(s.loops))
 for _, l := range s.loops {     // 启动所有的 event loop
  go loopRun(s, l)
 }
 return nil
}

serve 主要做这些事：

根据配置启动指定数量的 event loop，如果传入配置的 loop 数量为 0 则设置启动一个事件循环，如果传入配置小于 0 则设置为运行平台的CPU核心数量
如果设置了回调函数 events.Serving ，运行它
按照指定 event loop 数量，创建 epoll 句柄生成 loop ，并将所有的 listener 注册到 epoll 监听可读事件（有客户端连接）
启动所有事件循环(一个事件循环一个 goroutine)

需要注意的是，evio 将所有的 listener 的 fd 在每一个事件循环的 epoll 中都注册了。也就是说，如果有三个事件循环，一个 listener ，那么这个 listener 的 fd 会注册到三个 epoll 中。这就会出现 epoll 的惊群现象，感兴趣的可以自己搜索了解下。

evio 当一个新连接到来时，所有的事件循环都会唤醒，但是最终只有一个线程可以accept调用返回成功，其他线程（协程）的accept函数调用返回EAGAIN错误。

loopRun

下面我们看看 loopRun 的内部实现

func loopRun(s *server, l *loop) {
 defer func() {
  //fmt.Println("-- loop stopped --", l.idx)
  s.signalShutdown()
  s.wg.Done()
 }()

 if l.idx == 0 && s.events.Tick != nil {
  go loopTicker(s, l)
 }

 //fmt.Println("-- loop started --", l.idx)
 l.poll.Wait(func(fd int, note interface{}) error {
  if fd == 0 {
   return loopNote(s, l, note)
  }
  c := l.fdconns[fd]
  switch {
  case c == nil:
   return loopAccept(s, l, fd)
  case !c.opened:
   return loopOpened(s, l, c)
  case len(c.out) > 0:
   return loopWrite(s, l, c)
  case c.action != None:
   return loopAction(s, l, c)
  default:
   return loopRead(s, l, c)
  }
 })
}

l.poll.Wait 传入一个回调函数作为参数，当 epoll 收到事件通知时，会执行这个回调函数。

在这个函数中接受客户端连接，读取客户端数据，调用客户回调函数处理业务逻辑…

我们先来看下 poll.Wait 的内部实现，再看看 loopAccept，loopOpened，loopWrite 等函数。
loopRun 方法中最重要的就是 poll.Wait ，我们看看 Linux 下 epoll 的实现

func (p *Poll) Wait(iter func(fd int, note interface{}) error) error {
 events := make([]syscall.EpollEvent, 64)
 for {
  n, err := syscall.EpollWait(p.fd, events, -1)
  if err != nil && err != syscall.EINTR {
   return err
  }
  if err := p.notes.ForEach(func(note interface{}) error {
   return iter(0, note)
  }); err != nil {
   return err
  }
  for i := 0; i < n; i++ {
   if fd := int(events[i].Fd); fd != p.wfd {
    if err := iter(fd, nil); err != nil {
     return err
    }
   } else {

   }
  }
 }
}

这个函数中是一个死循环，程序会阻塞在此处等待 epoll 的”通知“，然后处理就绪的 fd （读取/发送数据、执行用户注册的回调函数）。

当有 fd 就绪的时候，syscall.EpollWait 函数返回，并且将就绪的 fd 通过 events 传出，返回值 n 为就绪 fd 的个数。

然后循环逐个遍历就绪的 fd，调用回调函数处理。

for i := 0; i < n; i++ {
 if fd := int(events[i].Fd); fd != p.wfd {
  if err := iter(fd, nil); err != nil {
   return err
  }
 } else {

  }
}

evio 的事件处理


l.poll.Wait(func(fd int, note interface{}) error {
  if fd == 0 {
   return loopNote(s, l, note)
  }
  c := l.fdconns[fd]
  switch {
  case c == nil:
   return loopAccept(s, l, fd)
  case !c.opened:
   return loopOpened(s, l, c)
  case len(c.out) > 0:
   return loopWrite(s, l, c)
  case c.action != None:
   return loopAction(s, l, c)
  default:
   return loopRead(s, l, c)
  }
})

当 epoll 检测到有就绪的 fd 时，会逐个调用上面的回调函数，evio 的主要逻辑也在这里。

当 fd == 0 时，会执行 loopNote 函数。loopNote 主要是用来处理一些非 fd 就绪的事件，比如定时任务、强制退出等。当然，我们都知道 fd 为 0 是标准输入，所以此处并不是真的去处理 fd 为 0 的文件描述符（注册到 epoll 的文件描述 >= 3）。作者知道 epoll 返回的就绪 fd 中不会有为 0 的情况，所以此处 fd 为 0，是作者调用时传入，用来表示一种特殊的唤醒场景。

func (p *Poll) Wait(iter func(fd int, note interface{}) error) error {
...
 p.changes = p.changes[:0]
  if err := p.notes.ForEach(func(note interface{}) error {
   return iter(0, note)
...

我们跳到调用它的地方，可以看到只有在 p.notes.ForEach 这个函数中注册的回调函数中才会传入 fd 为 0 来执行 iter 回调函数。

notes noteQueue

noteQueue 的实现在 internal 目录中的 notequeue.go , 是一个无锁队列。我们不详细分析，只看下 ForEach 这个方法：

func (q *noteQueue) ForEach(iter func(note interface{}) error) error {
 q.mu.Lock()
 if len(q.notes) == 0 {
  q.mu.Unlock()
  return nil
 }
 notes := q.notes
 q.notes = nil
 q.mu.Unlock()
 for _, note := range notes {
  if err := iter(note); err != nil {   // 执行回调函数
   return err
  }
 }
 return nil
}

当队列中有数据时，会执行回调函数，即

func(note interface{}) error {
 return iter(0, note)
}

从上面的分析中可以我们已经知道为什么会有 fd 为 0 ，下面我们看下 loopNote 做什么。

loopNote

func loopNote(s *server, l *loop, note interface{}) error {
 var err error
 switch v := note.(type) {
 case time.Duration:
  delay, action := s.events.Tick()
  switch action {
  case None:
  case Shutdown:
   err = errClosing
  }
  s.tch <- delay
 case error: // shutdown
  err = v
 case *conn:
  // Wake called for connection
  if l.fdconns[v.fd] != v {
   return nil // ignore stale wakes
  }
  return loopWake(s, l, v)
 }
 return err
}

传入的 note 是 interface{} ，首先对 note 进行类型判断。

当 note 是 time.Duration 时，调用回调函数 events.Tick() ，这是 evio 提供的定时任务接口。

在 loopRun 函数中，如果设置了定时回调函数，会启动一个协程来来运行 loopTicker

if l.idx == 0 && s.events.Tick != nil {
 go loopTicker(s, l)
}

loopTicker 实现如下，可以看出会定时去触发 l.poll.Trigger，并且传入 time.Duration(0)

func loopTicker(s *server, l *loop) {
 for {
  if err := l.poll.Trigger(time.Duration(0)); err != nil {
   break
  }
  time.Sleep(<-s.tch)
 }
}

我们跳到 poll.Trigger 的 linux 下的实现，可以发现 evio 在此处 p.notes.Add(note) ，也就是 time.Duration(0)

func (p *Poll) Trigger(note interface{}) error {
 p.notes.Add(note)
 _, err := syscall.Write(p.wfd, []byte{0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1})
 return err
}

poll.Trigger 这个函数不仅仅是在 p.notes 里增加了一个 note，还唤醒了事件循环。

当 epoll 中注册 fd 都没有就绪事件时，线程会挂起，epoll 的 wait 方法会处于阻塞状态。evio 使用
linux 提供的 eventfd 来实现事件循环的唤醒，也就是代码上中的 syscall.Write(p.wfd, []byte{0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1}) ,往 p.wfd 这个文件描述符中写入了 8 个字节的数据。

p.wfd 是一个 eventfd , 是 Poll 结构体的成员，在 OpenPoll 时赋值，即打开一个 eventfd 代码如下：

type Poll struct {
 fd    int // epoll fd
 wfd   int // wake fd
 notes noteQueue
}

func OpenPoll() *Poll {
 l := new(Poll)
 p, err := syscall.EpollCreate1(0)
 if err != nil {
  panic(err)
 }
 l.fd = p
 r0, _, e0 := syscall.Syscall(syscall.SYS_EVENTFD2, 0, 0, 0)
 if e0 != 0 {
  syscall.Close(p)
  panic(err)
 }
 l.wfd = int(r0)
 l.AddRead(l.wfd)
 return l
}

syscall.Syscall(syscall.SYS_EVENTFD2, 0, 0, 0) 创建了一个 eventfd ，然后将这个 eventfd 注册到了 epoll 监听可读事件。当 syscall.Write(p.wfd, []byte{0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1}) 时候，epoll 就会唤醒。

但是，我翻了好久，也没有找到 evio 在哪里读取 eventfd 写入的8个字节（epoll）。这是一个 bug，所以在 linux 机器上，这是不能用的。

这个bug会造成 epoll 不断唤醒，cpu被长期占用

当我们注册了 evio 的定时任务 Tick 回调函数，程序启动后会往 eventfd 里写入 8 个字节数据，但是 evio 并没有读取，并且 evio 使用的是 epoll 的默认模式 LT，即只要可读缓冲区里还有数据，epoll 会一直不断唤醒，这是一个严重的 bug，作者应该没有在 linux 环境下严格测试过。

我们抛开这个 bug，继续来看 note 为 error 类型的情况。在 serve 函数中，当函数退出时，通过l.poll.Trigger(errClosing) 来通知每个事件循环退出。

func  serve(events Events, listeners []*listener) error {
...

defer func() {
 // wait on a signal for shutdown
 s.waitForShutdown()

 // notify all loops to close by closing all listeners
 for _, l := range s.loops {
  l.poll.Trigger(errClosing)
 }

 // wait on all loops to complete reading events
 s.wg.Wait()

 // close loops and all outstanding connections
 for _, l := range s.loops {
  for _, c := range l.fdconns {
   loopCloseConn(s, l, c, nil)
  }
  l.poll.Close()
 }
 //println("-- server stopped")
}()

...

当 note 为 *conn 这种情况，是用来提供给使用者主动唤醒当前事件循环

func (c *conn) Wake() {
 if c.loop != nil {
  c.loop.poll.Trigger(c)
 }
}

loopAccept

c := l.fdconns[fd]
 switch {
 case c == nil:
  return loopAccept(s, l, fd)

type loop struct {
 idx     int            // loop index in the server loops list
 poll    *internal.Poll // epoll or kqueue
 packet  []byte         // read packet buffer
 fdconns map[int]*conn  // loop connections fd -> conn
 count   int32          // connection count
}

fdconns 是用来存储已连接的TCP connection 信息，key 为 fd， value 为 *conn 。

当 epoll 唤醒时，如果 fd 不在当前事件循环的连接，那就说明它是新连接，则执行 loopAccept 。

func loopAccept(s *server, l *loop, fd int) error {
 for i, ln := range s.lns {
  if ln.fd == fd {
   if len(s.loops) > 1 {
    switch s.balance {
    case LeastConnections:
     n := atomic.LoadInt32(&l.count)
     for _, lp := range s.loops {
      if lp.idx != l.idx {
       if atomic.LoadInt32(&lp.count) < n {
        return nil // do not accept
       }
      }
     }
    case RoundRobin:
     idx := int(atomic.LoadUintptr(&s.accepted)) % len(s.loops)
     if idx != l.idx {
      return nil // do not accept
     }
     atomic.AddUintptr(&s.accepted, 1)
    }
   }
   if ln.pconn != nil {
    return loopUDPRead(s, l, i, fd)
   }
   nfd, sa, err := syscall.Accept(fd)
   if err != nil {
    if err == syscall.EAGAIN {
     return nil
    }
    return err
   }
   if err := syscall.SetNonblock(nfd, true); err != nil {
    return err
   }
   c := &conn{fd: nfd, sa: sa, lnidx: i, loop: l}
   l.fdconns[c.fd] = c
   l.poll.AddReadWrite(c.fd)
   atomic.AddInt32(&l.count, 1)
   break
  }
 }
 return nil
}

因为 evio 支持多地址监听，所以会存在多个 listener ，也就是 s.lns 。

第一步，先遍历所有的 listener 看看当前 epoll 中就绪的 fd 是哪一个 listener ，然后执行客户端的负载策略，决定新的客户端连接放在哪一个事件循环中。

这里关于客户端的负载策略，evio 利用了 epoll 的惊群效果，所有的事件循环都会唤醒进入loopAccept，不符合负载策略直接 return nil。关于这边的更多细节，可以看我的另一篇文章【Golang 网络库 evio 一些问题/bug和思考】(https://note.mogutou.xyz/articles/2019/08/15/1565876205121.html)。

接下来就是常规操作了，syscall.Accept(fd) 接受连接，然后 syscall.SetNonblock(nfd, true) 设置成非阻塞模式，l.poll.AddReadWrite(c.fd) 最后加入事件循环，注册可读可写事件。

loopOpened

func loopOpened(s *server, l *loop, c *conn) error {
 c.opened = true
 c.addrIndex = c.lnidx
 c.localAddr = s.lns[c.lnidx].lnaddr
 c.remoteAddr = internal.SockaddrToAddr(c.sa)
 if s.events.Opened != nil {
  out, opts, action := s.events.Opened(c)
  if len(out) > 0 {
   c.out = append([]byte{}, out...)
  }
  c.action = action
  c.reuse = opts.ReuseInputBuffer
  if opts.TCPKeepAlive > 0 {
   if _, ok := s.lns[c.lnidx].ln.(*net.TCPListener); ok {
    internal.SetKeepAlive(c.fd, int(opts.TCPKeepAlive/time.Second))
   }
  }
 }
 if len(c.out) == 0 && c.action == None {
  l.poll.ModRead(c.fd)
 }
 return nil
}

loopOpened 是在 loopAccept 执行完成后，epoll 会立马再次唤醒然后执行的。

因为在 loopAccept 中最后将新的客户端连接加入 epoll 管理时注册的是可读可写事件，当前的内核写缓冲区肯定是为空的，所以 epoll 会再次唤醒。

...
case !c.opened:
 return loopOpened(s, l, c)
...

唤醒后会执行到这个 case case !c.opened:，因为在 loopAccept 中并没有去设置这个值。

loopOpened 内部的操作，主要就是设置一下 conn 的属性，然后调用客户注册的回调函数 events.Opened 。

如果在回调函数中，没有给客户端发送数据，则需要重新注册，只注册可读事件，不然 epoll 会一直唤醒（可写事件）。

loopAction

func loopAction(s *server, l *loop, c *conn) error {
 switch c.action {
 default:
  c.action = None
 case Close:
  return loopCloseConn(s, l, c, nil)
 case Shutdown:
  return errClosing
 case Detach:
  return loopDetachConn(s, l, c, nil)
 }
 if len(c.out) == 0 && c.action == None {
  l.poll.ModRead(c.fd)
 }
 return nil
}

case c.action != None:
 return loopAction(s, l, c)

loopAction 会在 case c.action != None: 的情况下执行， c.action 是执行完用户回调函数后会被赋值的状态。

在会有 action 的 loopXXX 中都会有如下类似操作。

if len(c.out) != 0 || c.action != None {
 l.poll.ModReadWrite(c.fd)
}

也就是说 loopAction 依赖于 epoll 被可写事件再次唤醒来执行，这样会不会有问题呢？内核缓冲区满了？？

loopAction 内部的主要操作就是根据 action 做一些处理，关闭连接等等。

loopRead 和 loopWrite

loopRead 和 loopWrite 主要就是调用系统调用读取和发送数据，并且调用用户回调函数，根据回调函数返回值来重新注册 epoll 的可读可写事件。

func loopRead(s *server, l *loop, c *conn) error {
 var in []byte
 n, err := syscall.Read(c.fd, l.packet)
 if n == 0 || err != nil {
  if err == syscall.EAGAIN {
   return nil
  }
  return loopCloseConn(s, l, c, err)
 }
 in = l.packet[:n]
 if !c.reuse {
  in = append([]byte{}, in...)
 }
 if s.events.Data != nil {
  out, action := s.events.Data(c, in)
  c.action = action
  if len(out) > 0 {
   c.out = append([]byte{}, out...)
  }
 }
 if len(c.out) != 0 || c.action != None {
  l.poll.ModReadWrite(c.fd)
 }
 return nil
}