33 Event-based Concurrency 基于事件的并发

概述:
基于线程开发的多线程有两个问题.一是比较容易出错,死锁,阻塞,资源浪费等问题需要特别小心处理;二是多线程的调度是由操作管理的,可能不会按照开发者期望的调度方式运行,因此不能精细控制程序的运行.基于事件并发是一种替代方案.它的思路是等待某些事件发生,然后判断事件类型,使用相应的代码处理.基于事件的并发有一个非常重要的架构:eventLoop().典型的基于事件的服务器的伪代码如下:

while(1) {
    events = getEvents();
    for (e in events) 
        processEvent(e);
}

处理逻辑非常简单,无限循环等待某些事件发生.循环处理每个事件.但是具体是如何判断发生的是哪些事件,怎么处理的? 因此需要其它的Api的支持.

1. 基于事件的重要API:select() (or poll)
   select()Api是用于接收事件的.它的定义类似如下:

   int select(int nfds,
               fd_set *restrict readfds,
               fd_set *restrict writefds,
               fd_set *restrict errorfds,
               struct timeval *restrict timeout);
   

   nfds代表用户关心的所有文件描述符的最大值,readfds是用户关心读事件(是否可读)的文件描述符集合,writefds则是跟写事件相关的集合,errorfds是跟出错事件相关的集合,timeout是当没有事件发生时等待的超时时间.select返回发生事件的个数,同时readfds,writefds,errorfds内部元素替换为发生相应事件的集合.然后对这些集合做相应的处理.一个简单的使用select()代码:
   
   从代码看,我们发现没有线程相关的锁,条件变量等,实现也是比较简单易懂的.因为同时只会有一个事件被处理,因此也不需要线程切换,就不会出现之前介绍的线程安全问题.
2. 基于事件的并发问题
   • 阻塞的系统调用
     纯粹的基于事件并发是不希望有阻塞发生的.上面的简单实现有一个明显问题就是阻塞的系统调用.往往涉及很多I/O操作,这些操作又会引起进程阻塞.如果阻塞发生意味着不能执行其它操作,导致资源浪费.而基于线程的并发则不会有这个问题.对于这个问题,现在系统有一种异步IO机制(Asynchronous IO) 可以解决这个问题. 它的思路是通过一种数据结构(aiocb)记录IO需要做的事情,用户调用异步IO后马上返回,异步IO根据记录的IO信息,自动执行,并提供接口给用户调用以查看异步IO是否已经完成.
     aiocb数据结构:

     struct aiocb {
         int aio_fildes; //File descriptor
         off_t aio_offset; //File offfset
         volatile void *aio_buf;  //Location of buffer
         size_t aio_nbytes; //Length of transfer
     }
     

     异步读IO接口:

     int aio_read(struct aiocb *aiocbp);
     

     查看异步IO是否已经完成接口(mac系统):

     int aio_error(const struct aiocb *aiocbp);
     

     虽然通过接口可以查询异步完成情况,但是当IO请求特别多时,调用查询接口还是比较耗费资源的.所以现代系统一般采用信号机制来通知应用IO已经完成.应用接收到中断信号后会停止当前的任务,处理中断.
   • 状态管理
     基于事件的并发还有一个问题就是状态管理问题.因为基于事件并发相当于把基于线程的并发的步骤分为不同的事件,对每类事件进行几种处理.每一种事件处理完后,接下来需要干什么都需要逻辑处理.因此整个声明周期所需要的状态信息都需要管理好.有点类似于送快递.基于线程并发类似于每个人送快递是从开始地送到目的地,开始地和目的地自己都清楚,而基于事件并发,快递是分几段路程送的,每个人送一段路程,如果开始地和目的地不管理好的话,可能送不到最终目的地.
   • 其它问题
     • 多核问题
       当机器由单核变为多核时,为了提高效率,可想而知应该并发的处理事件.但是并发处理随之就会带来并发问题,从而不得不使用锁或线程变量.
     • 系统集成问题
       前面介绍过的分页错误,分页交换等问题也可能事件处理过程中出现,势必会导致进程的阻塞,产生资源浪费.
     • 维护问题
       当某些接口由阻塞变为非阻塞时,相应的处理逻辑代码也需要跟着改变.
     • 接口的易用性问题
       虽然异步IO看起来非常有用,但是在应用中使用该接口并不是非常简单.