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【TinyWebServer】详解 - 07 定时器处理非活动连接（上）

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基础知识

非活跃，是指客户端（这里是浏览器）与服务器端建立连接后，长时间不交换数据，一直占用服务器端的文件描述符，导致连接资源的浪费。

定时事件，是指固定一段时间之后触发某段代码，由该段代码执行一个处理事件，如定期检测非活跃连接。

定时器，是指利用结构体或其他形式，将多种定时事件进行封装起来。具体的，这里只涉及一种定时事件，即定期检测非活跃连接，这里将该定时事件与连接资源封装为一个结构体定时器。

定时器容器，是指使用某种容器类数据结构，将上述多个定时器组合起来，便于对定时事件统一管理。具体的，项目中使用升序链表将所有定时器串联组织起来。

整体概述

本项目中，服务器主循环为每一个连接创建一个定时器，并对每个连接进行定时。另外，利用升序时间链表容器将所有定时器串联起来，若主循环接收到定时通知，则在链表中依次执行定时任务。

Linux下提供了三种定时的方法:

  • socket选项SO_RECVTIMEO和SO_SNDTIMEO
  • SIGARAM信号
  • I/O复用系统调用的超时参数

三种方法没有一劳永逸的应用场景，也没有绝对的优劣。由于项目中使用的是SIGARAM信号，这里仅对其进行介绍，另外两种方法可以查阅游双的Linux高性能服务器编程 第11章 定时器。

具体的，利用alarm函数周期性地触发SIGARAM信号,该信号的信号处理函数利用管道通知主循环，主循环接收到该信号后对升序链表上所有定时器进行处理，若该段时间内没有交换数据，则将该连接关闭，释放所占用的资源。

从上面的简要描述中，可以看出定时器处理非活动连接模块，主要分为两部分，其一为定时方法与信号通知流程，其二为定时器及其容器设计与定时任务的处理。

本文内容

本篇将介绍定时方法与信号通知流程，具体的涉及到基础API、信号通知流程和代码实现。

基础API，描述sigaction结构体、sigaction函数、sigfillset函数、SIGALRM信号、SIGTERM信号、alarm函数、socketpair函数、send`函数。

信号通知流程，介绍统一事件源和信号处理机制。

代码实现，结合代码对信号处理函数的设计与使用进行详解。

基础API

为了更好的源码阅读体验，这里提前对代码中使用的一些API进行简要介绍，更丰富的用法可以自行查阅资料。

sigaction结构体

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struct sigaction {
    void (*sa_handler)(int);
    void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
    sigset_t sa_mask;
    int sa_flags;
    void (*sa_restorer)(void);
}
  • sa_handler是一个函数指针，是一个信号处理函数
  • sa_sigaction同样是信号处理函数，有三个参数，可以获得关于信号更详细的信息
  • sa_mask用来指定在信号处理函数执行期间需要被屏蔽的信号
  • sa_flags成员用于指定信号处理的行为
    • SA_RESTART，使被信号打断的系统调用自动重新发起。
    • SA_NOCLDSTOP，使父进程在它的子进程暂停或继续运行时不会收到 SIGCHLD 信号。
    • SA_NOCLDWAIT，使父进程在它的子进程退出时不会收到 SIGCHLD 信号，这时子进程如果退出也不会成为僵尸进程。
    • SA_NODEFER，使对信号的屏蔽无效，即在信号处理函数执行期间仍能发出这个信号。
    • SA_RESETHAND，信号处理之后重新设置为默认的处理方式。
    • SA_SIGINFO，使用 sa_sigaction 成员而不是 sa_handler 作为信号处理函数。
  • sa_restorer一般不使用

sigaction函数

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#include <signal.h>

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
  • signum表示操作的信号。
  • act表示对信号设置新的处理方式。
  • oldact表示信号原来的处理方式。
  • 返回值，0 表示成功，-1 表示有错误发生。

sigfillset函数

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#include <signal.h>

int sigfillset(sigset_t *set);

用来将参数set信号集初始化，然后把所有的信号加入到此信号集里。

SIGALRM、SIGTERM信号

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#define SIGALRM  14	 //由alarm系统调用产生timer时钟信号
#define SIGTERM  15 	//终端发送的终止信号

alarm函数

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#include <unistd.h>;

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

设置信号传送闹钟，即用来设置信号SIGALRM在经过参数seconds秒数后发送给目前的进程。如果未设置信号SIGALRM的处理函数，那么alarm()默认处理终止进程.

socketpair函数

在linux下，使用socketpair函数能够创建一对套接字进行通信，项目中使用管道通信。

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#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int socketpair(int domain, int type, int protocol, int sv[2]);
  • domain表示协议族，PF_UNIX或者AF_UNIX
  • type表示协议，可以是SOCK_STREAM或者SOCK_DGRAM，SOCK_STREAM基于TCP，SOCK_DGRAM基于UDP
  • protocol表示类型，只能为0
  • sv[2]表示套节字柄对，该两个句柄作用相同，均能进行读写双向操作
  • 返回结果， 0为创建成功，-1为创建失败

send函数

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#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

当套接字发送缓冲区变满时，send通常会阻塞，除非套接字在事先设置为非阻塞的模式，那样他不会阻塞，而是返回EAGAIN或者EWOULDBLOCK错误，此时可以调用select函数来监视何时可以发送数据。

信号通知流程

Linux下的信号采用的异步处理机制，具体的，当进程收到信号时，操作系统会中断进程当前的正常流程，转而进入响应的信号处理函数执行操作，完成后再返回中断的地方继续执行。

信号处理函数和程序主循环是两条不同的执行路线，信号处理期间系统不会再次触发它。所以，为确保该信号不被屏蔽太久，信号处理函数需要尽可能快地执行完毕。

一般的信号处理函数需要处理该信号对应的逻辑，当该逻辑比较复杂时，信号处理函数执行时间过长，会导致信号屏蔽太久。

这里的解决方案是，信号处理函数仅仅发送信号通知主循环，将信号对应的逻辑放在程序主循环中，由主循环执行信号对应的逻辑代码。

统一事件源

统一事件源，是指将信号事件与其他事件一样被处理。

具体的，信号处理函数使用管道将信号传递给主循环：信号处理函数往管道的写端写入信号值，主循环则从管道的读端读出信号值，使用I/O复用系统调用来监听管道读端的可读事件。

信号处理机制

每个进程之中，都有存着一个表，里面存着每种信号所代表的含义，内核通过设置表项中每一个位来标识对应的信号类型。

* 信号的接收 * 接收信号的任务是由内核代理的，当内核接收到信号后，会将其放到对应进程的信号队列中，同时向进程发送一个中断，使其陷入内核态。注意，此时信号还只是在队列中，对进程来说暂时是不知道有信号到来的。

  • 信号的检测

    • 进程陷入内核态后，有两种场景会对信号进行检测：
      • 进程从内核态返回到用户态前进行信号检测
      • 进程在内核态中，从睡眠状态被唤醒的时候进行信号检测
    • 当发现有新信号时，便会进入下一步，信号的处理。

  • 信号的处理

    • ( 内核 )信号处理函数是运行在用户态的，调用处理函数前，内核会将当前内核栈的内容备份拷贝到用户栈上，并且修改指令寄存器（eip）将其指向信号处理函数。
    • ( 用户 )接下来进程返回到用户态中，执行相应的信号处理函数。
    • ( 内核 )信号处理函数执行完成后，还需要返回内核态，检查是否还有其它信号未处理。
    • ( 用户 )如果所有信号都处理完成，就会将内核栈恢复（从用户栈的备份拷贝回来），同时恢复指令寄存器（eip）将其指向中断前的运行位置，最后回到用户态继续执行进程。

至此，一个完整的信号处理流程便结束了，如果同时有多个信号到达，上面的处理流程会在第2步和第3步骤间重复进行。

代码分析

代码逻辑

  • 创建管道，其中管道写端写入信号值，管道读端通过I/O复用系统监测读事件
  • 设置信号处理函数SIGALRM（时间到了触发）和SIGTERM（kill会触发，Ctrl+C）
    • 通过struct sigaction结构体和sigaction函数注册信号捕捉函数
    • 在结构体的回调函数中设置事件，从管道写端写入信号的名字
  • 利用I/O复用系统监听管道读端文件描述符的可读事件
  • 信息值传递给主循环，主循环再根据接收到的信号值执行目标信号对应的逻辑代码

信号处理函数

自定义信号处理函数，创建sigaction结构体变量，设置信号函数。

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//信号处理函数
void sig_handler(int sig)
{
    //为保证函数的可重入性，保留原来的errno
	//可重入性表示中断后再次进入该函数，环境变量与之前相同，不会丢失数据
    int save_errno = errno;
    int msg = sig;
	
	//将信号值从管道写端写入，传输字符类型，而非整型
    send(pipefd[1], (char *)&msg, 1, 0);

	//将原来的errno赋值为当前的errno
    errno = save_errno;
}

信号处理函数中仅仅通过管道发送信号值，不处理信号对应的逻辑，缩短异步执行时间，减少对主程序的影响。

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//设置信号函数
void addsig(int sig, void(handler)(int), bool restart = true)
{
	//创建sigaction结构体变量
    struct sigaction sa;
    memset(&sa, '\0', sizeof(sa));
	
	//信号处理函数中仅仅发送信号值，不做对应逻辑处理
    sa.sa_handler = handler;
    if (restart)
        sa.sa_flags |= SA_RESTART;
	//将所有信号添加到信号集中
    sigfillset(&sa.sa_mask);
	
	//执行sigaction函数
    assert(sigaction(sig, &sa, NULL) != -1);
}

项目中设置信号函数，仅关注SIGTERM和SIGALRM两个信号。

管道通知

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//创建管道套接字
ret = socketpair(PF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, pipefd);
assert(ret != -1);

//设置管道写端为非阻塞，为什么写端要非阻塞？
setnonblocking(pipefd[1]);

//设置管道读端为ET非阻塞
addfd(epollfd, pipefd[0], false);

//传递给主循环的信号值，这里只关注SIGALRM和SIGTERM
addsig(SIGALRM, sig_handler, false);
addsig(SIGTERM, sig_handler, false);

//循环条件
bool stop_server = false;

//超时标志
bool timeout = false;

//每隔TIMESLOT时间触发SIGALRM信号
alarm(TIMESLOT);

while (!stop_server)
{
	//监测发生事件的文件描述符
	int number = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
    if (number < 0 && errno != EINTR)
    {
        break;
    }

	//轮询文件描述符
    for (int i = 0; i < number; i++)
    {
        int sockfd = events[i].data.fd;

		//管道读端对应文件描述符发生读事件
        if ((sockfd == pipefd[0]) && (events[i].events & EPOLLIN))
        {
            int sig;
            char signals[1024];
			
			//从管道读端读出信号值，成功返回字节数，失败返回-1
			//正常情况下，这里的ret返回值总是1，只有14和15两个ASCII码对应的字符
            ret = recv(pipefd[0], signals, sizeof(signals), 0);
            if (ret == -1)
            {
                // handle the error
                continue;
            }
            else if (ret == 0)
            {
                continue;
            }
            else
            {
				//处理信号值对应的逻辑
                for (int i = 0; i < ret; ++i)
                {
					//这里面明明是字符
                    switch (signals[i])
                    {
					//这里是整型
                    case SIGALRM:
                    {
                        timeout = true;
                        break;
                    }
                    case SIGTERM:
                    {
                        stop_server = true;
                    }
                    }
                }
            }
        }
	}
}

为什么管道写端要非阻塞？

send是将信息发送给套接字缓冲区，如果缓冲区满了，则会阻塞，这时候会进一步增加信号处理函数的执行时间，为此，将其修改为非阻塞。

没有对非阻塞返回值处理，如果阻塞是不是意味着这一次定时事件失效了？

是的，但定时事件并不是非必须立即处理的事件，可以允许这样的情况发生。

管道传递的是什么类型？switch-case的变量冲突？

信号本身是整型数值，管道中传递的是ASCII码表中整型数值对应的字符。switch的变量一般为字符或整型，当为字符时，case中可以是字符，也可以是字符对应的ASCII码。

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完。

  • 本文作者： 两猿社·社长
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