项目 协程-实现非抢占式TCP服务器

Posted 2022-11-20 WhiteShirtI

协程（Coroutines）是用户态下的非抢占式的轻量级线程，是一种在程序开发中处理多任务的组件

项目介绍

项目开发环境

Linux

项目开发语言及工具

C、vim、gcc、gdb、Makefile

项目特点

1. 协程是完全由程序来控制的，是在用户态下执行，这样子就没有用户态到内核态的切换开销
2. 协程是非抢占式的调度，用户可以自己实现调度，同一时间只能有一个协程在执行，并且由协程主动交出控制权
3. 协程的执行效率非常高。因为子程序切换不是线程切换，而是由程序自身控制，与同等数量的线程相比，协程的执行效率会更高

项目适用场景

协程主要用于I/O密集型程序，例如TCP服务器，在传统中使用多进程/线程+IO复用来实现TCP服务器，当每来一个客户端时都会创建一个线程或者进程，占用了大量的资源。每当使用时都会伴随着用户态和内核态之间调度切换带来的开销。而使用协程会解决传统方式的问题

项目简介

相当于用户态的一个线程组，做的每一个协程都有自己的协程栈，当有任务时将任务以回调的方式放入到协程中，在协程的回调函数中，当有任务就绪时就执行，当任务未就绪时就将自己切换出去，然后让别的流程去运行，当运行到某一条件时就去恢复协程，然后再依次判断协程中的任务是否就绪，就绪就执行，未就绪再切换出去

项目实现概要

用一个结构体来封装协程的属性，再用一个结构体来管理调度协程。其中协程有5个属性，分别是回调函数、回调函数的参数、协程的上下文信息、协程单独使用的栈、还有协程的状态。而管理调度协程的调度器有4属性，分别是一个协程类型的指针数组，该数组中的元素都是一个协程、还有正在运行的协程的所在数组的下标，以及指针数组中的最大下标，最后一个是主流程的上下文环境。
创建协程时需要传入协程的调度管理器和该协程要绑定的回调函数，然后对协程的各个属性进行赋值，此时我们就要使用到ucontext函数族，在makecontext函数中将该协程的上下文回调函数设置为一个统一的函数，然后在该函数中再调用协程自身绑定的那个函数。当函数运行完时修改协程的状态为DEAD状态。
启动协程时将协程的状态改为RUNNING状态，然后使用swapcontext函数将主流程的上下文环境进行保存，然后执行协程的回调函数。
切换协程时将协程状态改为SUSPEND状态，然后使用swapcontext函数保存协程的上下文环境，然后执行主流程的上下文。
回复协程时将协程的状态改为RUNNING状态，然后使用swapcontext函数将主流程的上下文环境进行保存，然后执行协程上次执行到的上下文的地方

友情链接

linux ucontext族函数的原理及使用

协程实现

源代码----协程
头文件以及需要的宏定义

#include <ucontext.h>

#define COR_SIZE (1024) //协程数量
#define STACK_SIZE (1024*64) //每个协程的栈大小

协程的状态有：死亡态、就绪态、运行态、暂停态

enum State DEAD, READY, RUNNING, SUSPEND;

协程与调度器

//协程
typedef struct coroutine

	void *(*call_back)(struct schedule *s, void* args);//回调函数
	void *args; //回调函数参数
	ucontext_t ctx; //协程上下文
	char stack[STACK_SIZE]; //协程栈
	enum State state; //协程状态
coroutine_t;

//协程调度器
typedef struct schedule

	coroutine_t** coroutines;//协程数组
	int cur_id;//当前运行的协程
	int max_id;//数组的最大协程数
	ucontext_t ctx_main;//主流程上下文
schedule_t;

实现接口声明

//创建协程调度器
schedule_t* schedule_create();

//创建协程，返回当前协程在调度器的下标
int coroutine_create(schedule_t* s, void*(*call_back)(schedule_t* s, void *args), void *args);

//启动协程
int coroutine_running(schedule_t* s, int id);

//协程让出CPU，返回主流程上下文
void coroutine_yield(schedule_t* s);

//恢复协程上下文
void coroutine_resume(schedule_t* s, int id);

//销毁调度器
void schedule_destroy(schedule_t* s);

//判断调度器中的协程是否都全部运行结束，全结束返回1，否则返回0
int schedule_finished(schedule_t *s);

使用协程实现TCP服务器

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h>
#include <netinet/in.h>
#include "coroutine.h"

int tcp_init()

	int lst_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (lst_fd == -1) 
	
		perror("socket error\\n");
		exit(1);
	
	int op = 1;
	setsockopt(lst_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &op, sizeof(op));

	struct sockaddr_in addr;
	addr.sin_family = AF_INET;
	addr.sin_port = htons(9999);
	addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.73.130");
	int ret = bind(lst_fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
	if (ret == -1)
	
		perror("bind error\\n");
		exit(1);
	

	listen(lst_fd, SOMAXCONN);

	return lst_fd;


void set_nonblock(int fd)

	int flgs = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
	flgs |= O_NONBLOCK;
	fcntl(fd, F_SETFL, flgs);


void accept_conn(int lst_fd, schedule_t* s, int co_ids[], void* (*call_back)(schedule_t* s, void* args))

	while (1)
	
		int cli_fd = accept(lst_fd, NULL, NULL);
		//如果有新的客户端到来，就创建一个新的协程来管理这个连接
		if (cli_fd > 0)
		
			set_nonblock(cli_fd);

			int args[] = lst_fd, cli_fd;
			int id = coroutine_create(s, call_back, args);
			
			if (id == COR_SIZE)
			
				printf("too many connections.\\n");
				return;
			

			co_ids[id] = id;
			coroutine_running(s, id);
		
		//当前没有客户端连接，则切换至协程的上下文继续运行
		else
		
			int i;
			for (i = 0; i < COR_SIZE; ++i)
			
				int cid = co_ids[i];
				if (cid == -1)
					continue;
				coroutine_resume(s, i);
			
		
	


void* handle(schedule_t* s, void* args)

	int* arr = (int*)args;
	int cli_fd = arr[1];

	char buf[1024] =  0 ;
	while (1)
	
		memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
		int ret = recv(cli_fd, buf, 1024, 0);
		if (ret == -1)
			//如果此时没有数据，则不再等待，直接切回主流程
			coroutine_yield(s);
		else if (ret == 0)
		
			//通信结束
			break;
		
		else
		
			printf("client:%s", buf);
			if (strncasecmp(buf, "exit", 4) == 0)
			
				break;
			
			memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
			printf("send:");
			fgets(buf, 1024, stdin);
			send(cli_fd, buf, ret, 0);
		
	


int main()

	int lst_fd = tcp_init();
	set_nonblock(lst_fd);

	schedule_t* s = schedule_create();
	static int co_idx[COR_SIZE];
	int i;
	for (i = 0; i < COR_SIZE; ++i)
	
		co_idx[i] = -1;
	

	accept_conn(lst_fd, s, co_idx, handle);

	schedule_destroy(s);

	return 0;

测试结果：