浅记线程池模型中多个线程对同个fd接收缓冲区读取争夺的方案

Posted 2022-11-27 狱典司

浅记线程池模型中多个线程对同个同个fd接收缓冲区读取争夺的方案

问题描述

最近在复习实现和思考线程池的时候发现了一个问题：

概括说就是 线程池+多路IO（epoll ET）+ 非阻塞轮询处理数据的场景下，同个fd（socket）高频率接收数据，可能导致线程池中多个线程争夺读取该fd接收缓冲区的情况，怎么处理？

更详细的描述问题：
如果存在这样的情况，比如某个socket被恶意攻击，或者说数据接收频率很高（clients以高频率发数据包）；
多路io每次返回都把任务放到任务队列，然后唤醒一个线程去取，假如线程1取到了任务，然后将自身标记为忙碌状态；
在线程1还在处理任务的时候，多路io再次在同一个fd上返回，再唤醒一个线程，线程池里的线程2争夺到了该任务，但该任务仍然是读取与线程1相同的fd；
问题在于线程1此时还在处理它的任务，极端情况下（比如数据很长，读的时间比较久），线程2要开始读这个fd的接收缓冲区时，线程1也正在读这篇缓冲区，在这一部分没有线程间的同步机制保护的话，数据读取会产生混乱。

思考后得到如下的解决方案：

解决方案：

1. 维护额外的简易链接池，并结合互斥锁向外提供合法取fd的接口：

给开启的fd维护一个池，姑且算是一个简易的连接池，池的单元是结构体或者对象（这里统一用结构体吧），并用结构体内部的一个描述状态的变量（占用与否）来维护该连接池；
重点在于向外部提供一个访问（取）fd的函数或者方法，取的时候需要上锁后判断，函数退出前释放锁；
通过这样的方式保证线程池里的线程不会争夺读取同一个fd（socket）的接收缓冲区数据。

2. 利用epoll在内核维护的监听红黑树来避免同一个fd的接收数据被同时划分为多个任务队列中的任务（更优）

总体的流程如下：
epoll_wait()返回 ----> 调用epoll_ctl()将该fd从epoll监听树上摘下 -----> 向线程池模型的任务队列中添加任务 ----> 线程池中的某线程被唤醒，成功从任务队列中领取该任务 ----> 线程读取该fd接收缓冲区的数据并根据业务逻辑做处理 ----> 再次调用epoll_ctl()重新将该fd挂载epoll监听树上，并用宏EPOLLIN监听该fd上的读事件；
如此一来，在某个线程正在读取某fd上的数据时，多路IO就不再监听该fd，既然不再监听就不会返回，不会返回就不会有别的线程来争夺该fd缓冲区数据；
从宏观上来说就是，对于某个fd，同一时刻下任务队列中只能有一个任务包含了该fd，这样也就保证了同一时刻只有一个线程在操作该fd。