WebServer -- 定时器处理非活动连接（上）

目录

🍍函数指针

🌼基础知识

🐙整体概述

🎂基础API

sigaction 结构体

sigaction()

sigfillset()

SIGALRM, SIGTERM 信号

alarm()

socketpair()

send()

📕信号通知流程

统一事件源

信号处理机制

🌼源码分析

信号处理函数

信号通知逻辑

代码

🍍函数指针

函数指针是指向函数的指针变量。在C和C++中，函数被存储在内存中的某个位置，函数指针可以指向这个内存位置，从而允许通过指针间接调用函数。

函数指针的声明方式👇

返回类型 (*指针变量名)(参数列表);

例如，如果有一个函数 void myFunction(int x)

void (*funcPtr)(int); // 声明一个指向函数的指针变量 funcPtr
funcPtr = &myFunction; // 将函数的地址赋给指针变量
// 通过函数指针调用函数
funcPtr(10); // 调用 myFunction(10)

🌼基础知识

非活跃 

客户端（即浏览器）与服务器建立连接后，长时间不交换数据，一直占用服务器的文件描述符，导致连接资源浪费

定时事件

固定一段时间后触发某段代码，由该代码处理一个事件

eg: 从内核表删除事件，并关闭文件描述符，释放连接资源

定时器

利用结构体 / 其他形式，将多种 定时事件 封装。

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

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

比如，项目中使用 升序链表 ，将所有定时器串联起来

🐙整体概述

简介

  • 定时器处理非活动连接是一种机制，用于检测和关闭长时间没有活动的客户端连接
  • 定时器会周期性地检查连接的活动状态，并在连接超过一定时间没有任何数据传输时，将其标记为非活动连接并关闭
  1. 具体来说，当客户端与服务器建立连接后，服务器会启动一个定时器来监视该连接的活动状态
  2. 每当服务器接收到客户端发送的数据或发送数据给客户端时，定时器会被重置，表示该连接是活动的
  3. 如果在一段时间内没有任何数据传输，定时器将超时并关闭该连接

TinyWebServer 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

此外，升序事件链表容器，将所有定时器串联起来

若 主循环 收到定时通知，则在链表中依次执行 定时任务

Linux提供 3 种定时方法👇

  • socket 选项 SO_RECVTIMEO 和 SO_SNDTIMEO
  • SIGALRM信号
  • I / O 复用系统调用的超市参数

TinyWebServer 使用 SIGALRM 信号

具体的，利用 alarm() 函数周期性地触发 SIGALRM 信号，信号处理函数利用 管道 通知 主循环

主循环 接收到信号后，处理 升序链表 的所有定时器

若这段时间内，没有交换数据，则将该连接关闭，释放占用的资源

由此可见，定时器处理 非活动连接模块，分 2 部分：

1）定时方法 与 信号通知流程

2） 定时器 及其 容器设计与定时任务 的处理

总览

定时方法 + 信号通知流程

涉及 基础API，信号通知流程，代码实现

基础API

sigaction 结构体，SIGALRM 信号， SIGTERM 信号

函数👇

sigaction()，sigfillset()，alarm()，socketpair()，send()

信号通知流程

 统一事件源 + 信号处理机制

🎂基础API

更好的源码阅读体验~

sigaction 结构体

  • sa_handler() -- 函数指针，指向信号处理函数
  • sa_sigaction() -- 信号处理函数，3个参数，获得关于信号更详细的信息
  • sa_mask -- 信号处理函数执行期间，需要被屏蔽的信号
  • sa_falgs -- 信号处理行为
    • SA_RESTART：使被信号打断的系统调用，重新自动发起
    • SA_NOCLDSTOP：使父进程，在其子进程 暂停/继续运行 时，不会收到 SIGCHLD 信号
    • SA_NOCLDWAIT：使父进程，在其子进程 退出 时，不会收到 SIGCHLD 信号，此时 子进程 退出不会成为僵尸进程
    • 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
// 定义一个结构体sigaction，用于处理信号
struct sigaction {
    // 指向处理信号的函数指针，接受一个int参数
    void (*sa_handler)(int);
    // 指向处理信号的函数指针，接受3个参数
    void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t*, void*);
    // 信号掩码
    sigset_t sa_mask;
    // 标志位
    int sa_flags;
    // 恢复处理程序的函数指针，不接受参数，不返回任何值
    void (*sa_restorer)(void);
};

sigaction()

  • signum    操作的信号
  • act    对信号设置新的处理方式
  • oldact    信号旧的处理方式
  • 返回值，0 成功，-1 有错误发生
#include<signal.h>

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,
              struct sigaction *oldact);

sigfillset()

信号集

👆在 Linux 系统中，通常使用 sigset_t类型来表示信号集。这个类型通常是一个整数数组，每个元素对应一个信号，用来表示该信号是否被设置

👇将参数 set 信号集 初始化，然后把所有信号加入此信号集

#include<signal.h>

int sigfillset(sigset_t *set);

SIGALRM, SIGTERM 信号

#define SIGALRM 14 // 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()

设置信号传送闹钟，即，设置信号 SIGALRM，经过参数 seconds 秒后，发送给目前进程

如果未设置信号 SIGALRM 的处理函数，那么 alarm() 默认处理终止进程

#include<unistd.h>

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

socketpair()

Linux 下，使用 socketpair() 函数，创建一对套接字进行通信，TinyWebServer 使用管道通信

  • domain -- 协议族（PF_UNIX 或 AF_UNIX）
  • type -- 协议（SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM），SOCK_STREAM 基于 TCP，SOCK_DGRAM 基于 UDP
  • protocol -- 类型（只能为 0）
  • sv[2] -- 套接字柄对，两个句柄作用相同，均可独写双向操作
  • 返回结果，0 成功，-1 创建失败
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
int socketpair(int domain, int type, int protocol, int sv[2]);

send()

套接字 发送缓冲区 变满时，send 通常会阻塞，除非 套接字 设置成 非阻塞模式

当缓冲区变满，返回 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK 错误，此时可调用 select() 函数，来监视何时可以发送数据

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

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

📕信号通知流程

Linux 下信号，采用 异步处理机制，信号处理函数 和 当前进程 是 2 条不同的执行路线

异步处理机制👇解释

在Linux系统中，信号就像是一种突然发生的事件通知，比如按下Ctrl+C键发送的中断信号。当这个事件发生时，操作系统会中断当前正在进行的工作，去执行与之对应的处理函数，处理完后再回到原来的工作。

这个处理过程是异步的，也就是说，处理信号的函数和当前正在执行的程序是两条不同的路线。处理函数负责响应信号事件，而当前程序则会在收到信号时被中断，等待处理完毕后再继续执行。这样可以保证及时响应各种突发事件，确保系统的稳定和安全。

当进程收到信号时，操作系统会中断当前的正常流程，转而进入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

为了避免 信号竞态 的发生，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

信号处理函数，需要处理该信号对应的逻辑，当该逻辑较复杂，信号处理函数执行时间过长，会导致信号屏蔽太久

解决方案

信号处理函数，仅发送信号，通知程序主循环，将信号对应的处理逻辑，放在主循环中

由主循环执行信号对应的逻辑代码

统一事件源

指的是，将 信号事件 与 其他事件 一样被处理

eg：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

此时，信号事件 与 其他文件描述符 都可以通过 epoll 来监测，从而实现统一处理

信号处理机制

每个进程中，都存在一个表，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，暂时不知道信号到来了
  • 信号检测
    • 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，从睡眠被唤醒时，进行信号检测
    • 进程陷入内核态后，有 2 种场景对信号进行检测
    • 当发现新信号时，会进入下一步，信号的处理
  • 信号处理
    • （内核）信号处理函数，运行在 用户态，调用处理函数前，内核会将当前的内核栈的内容备份，拷贝到用户栈上，并修改指令寄存器（eip），将其指向信号处理函数
    • （用户）接下来，进程返回用户态，执行相应的信号处理函数
    • （内核）信号处理函数 执行完毕后，还要返回内核态，检查是否还有其他信号未处理
    • （用户）所有信号处理完后，内核栈就会恢复（从用户栈的备份拷贝），同时恢复指令寄存器（eip），将其指向中断前的运行位置，最后返回用户态，继续执行进程

到此，一个完整的 信号处理流程 就结束了

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 步间循环

🌼源码分析

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

// 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：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;

    // 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);

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

 信号处理函数中，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，减少对主程序影响

void addsig(int sig, void(handler)(int), bool restart = true);

👆解释

  1. sig：要注册的信号。
  2. handler：信号处理函数。
  3. restart：标志，指示是否在中断系统调用后自动重启该调用。

函数声明中使用了函数指针作为参数，这意味着 handler 参数必须是一个指向函数的指针，该函数接受一个整数参数并返回 void 类型

// 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;
    // 起始地址, 初值，字节数
    memeset(&sa, '\0', sizeof(sa));

    // 信号处理函数中仅发送 信号值，不做对应逻辑处理
    sa.sa_handler = handler; // 函数指针

    // 对结构体变量 按位或，SA_RESTART 标志位变1
    // 表示需要自动重启
    if (restart)
        sa.sa_flags |= SA_RESTART;

    // 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

信号通知逻辑

  • 创建管道，管道写端 写入信号值，管道读端 通过 I / O 复用系统 检测读事件
  • 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（结构体和函数进行关联）
    • 在结构体的 handler 参数，设置信号处理函数，具体的，从 管道写端 写入信号名字
  • 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

代码

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

// 设置管道写端非阻塞，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 对应的 文件描述符 发生读事件
        /*
        按位与 & 运算符
        判断某个特定的标志位是否在 events[i].events 中被设置
        （是否发生了读事件）
        如果结果为真，表示发生了读事件
        程序将会执行相应的逻辑来处理该事件
        */
        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
            // 一般，这里的ret返回值总是 1
            // 只有 14，15 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) {
                    switch (signals[i]) { // char
                        case SIGALRM: // int
                        {
                            timeout = true;
                            break;
                        }
                        case SIGTERM:
                            stop_server = true;
                    }
                }
            }
        }
    }
}

补充解释

ret = recv(pipefd[0], signals, sizeof(signals), 0);
  • pipefd[0] 是管道的读端文件描述符
  • signals 是一个缓冲区，用于存储接收到的数据
  • sizeof(signals) 表示 signals 缓冲区的大小，即要接收的数据的最大字节数
  • 0 是可选的参数，用于指定接收数据时的额外标志。在此处，它表示没有任何特殊的处理要求

函数执行过程👇

  1. recv() 函数阻塞等待，直到管道读端文件描述符 (pipefd[0]) 中有数据可读
  2. 一旦有数据可读，recv() 函数将读取数据并将其存储在 signals 缓冲区中
  3. recv() 函数返回读取的字节数，并将其赋值给变量 ret，以便后续处理

问题1：为什么 管道写端 要 非阻塞？

send() 将信息发送给套接字缓冲区，如果缓冲区满了，就会阻塞

这时会进一步增加 信号处理函数 的执行时间，为此，将其修改为 非阻塞

👆补充解释

  • 代码中的 setnonblocking(pipefd[1]) 调用将管道写端设置为非阻塞模式，这意味着写入管道时不会被阻塞，而是立即返回。这是因为在主循环中，当有事件发生时，程序会将相应的数据写入管道以触发 SIGALRM 或 SIGTERM 信号，从而实现定时和停止服务器的功能。如果管道写端是阻塞的，则当数据无法立即写入管道时，程序会被阻塞等待，直到数据写入成功或出现错误。这可能会导致定时事件失效或无法及时停止服务器。因此，将管道写端设置为非阻塞模式是必要的 

问题2：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？

对，但 定时事件 不是必须立即处理的事件，可以允许这样的情况发生

👆补充解释

  • 代码中的管道写端是非阻塞的，因此如果写入的数据无法立即发送，则会立即返回，并且不会阻塞等待。如果没有处理非阻塞返回值，则会导致写入失败而没有得到及时处理。如果这种情况经常发生，则可能会导致定时事件失效，因为无法在规定的时间内将数据写入管道
  • 定时事件不是必须立即处理的事件。在这个例子中，定时事件是通过 SIGALRM 信号实现的，每隔 TIMESLOT 时间就会触发一次该信号。即使写入管道失败，也不会导致 SIGALRM 信号失效，因为下一次定时事件仍然会在规定的时间内触发。因此，在这种情况下，可以允许写入管道失败并且不处理非阻塞返回值

问题3：管道 传递的是什么类型？switch-case 的变量冲突？

信号 本身是 整型，管道中传递的是 ASCII码 表中整型对应的字符

switch 的变量，一般为 字符或整型，当 switch 变量为字符，case 中可以为字符，也可以是字符对应的 ASCII 码

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