本文隶属于专题系列: Libevent源码分析

信号event的工作原理:

        前面讲解了Libevent怎么对一个IO事件进行监听,现在来讲一下Libevent怎么监听信号。Libevent对于信号的处理是采用统一事件源的方式。简单地说,就是把信号也转换成IO事件,集成到Libevent中。

        统一事件源的工作原理是这样的:假如用户要监听SIGINT这个信号,那么在实现的内部就对SIGINT这个信号设置捕抓函数。此外,在实现的内部还要建立一条管道(pipe),并把这个管道加入到多路IO复用函数中。当SIGINT这个信号发生后,捕抓函数将会被调用。而这个捕抓函数的工作就是往管道写入一个字符(这个字符往往等于所捕抓到信号的信号值)。此时,这个管道就变成是可读的了,多路IO复用函数能检测到这个管道变成可读的了。换句话说就是多路IO复用函数检测到这个SIGINT信号发生了,这也就完成了对信号的监听工作。这个过程如下图所示:

        

        读者现在应该都明白了统一事件源的工作原理。现在来看一下Libevent具体是怎么实现的。从上面所说的,可以知道所需的工作有:

  1. 创建一个管道(Libevent实际上使用的是socketpair)
  2. 为这个socketpair的一个读端创建一个event,并将之加入到多路IO复用函数的监听之中
  3. 设置信号捕抓函数
  4. 有信号发生,就往socketpair写入一个字节

        统一事件源能够工作的一个原因是:多路IO复用函数都是可中断的。即处理完信号后,会从多路IO复用函数中退出,并将errno赋值为EINTR。有些OS的某些系统调用,比如Linux的read,即使被信号终端了,还是会自启动的。即不会从read函数中退出来。

用于信号event的结构体和变量:

        在说之前,看一下event_base在信号监听这方面提供了什么的成员。

//event-internal.h文件
struct event_base {
	const struct eventop *evsigsel;
	struct evsig_info sig;
	...
	struct event_signal_map sigmap;
	...
};
//evsignal-internal.h文件
struct evsig_info {
	//用于监听socketpair读端的event. ev_signal_pair[1]为读端
	struct event ev_signal;
	//socketpair
	evutil_socket_t ev_signal_pair[2];
	//用来标志是否已经将ev_signal这个event加入到event_base中了
	int ev_signal_added;
	//用户一共要监听多少个信号
	int ev_n_signals_added;
	//数组。用户可能已经设置过某个信号的信号捕抓函数。但
	//Libevent还是要为这个信号设置另外一个信号捕抓函数,
	//此时,就要保存用户之前设置的信号捕抓函数。当用户不要
	//监听这个信号时,就能够恢复用户之前的捕抓函数。
	//因为是有多个信号,所以得用一个数组保存。
#ifdef _EVENT_HAVE_SIGACTION
	struct sigaction **sh_old; 
#else//保存的是捕抓函数的函数指针,又因为是数组。所以是二级指针
	ev_sighandler_t **sh_old; 
#endif
	/* Size of sh_old. */
	int sh_old_max; //数组的长度
};

        在上面代码中,已经可以看到用于socketpair的ev_signal_pair变量,还有struct event结构体变量ev_signal。那么Libevent是在什么时候创建socketpair以及怎么将socketpair和ev_signal相关联的呢?

初始化:

        在前面的博文《 跨平台Reactor接口的实现》中,有说到Libevent是怎么选择一个多路IO复用函数的。在选定一个多路IO复用函数后,就会调用下面一行代码。
base->evbase = base->evsel->init(base);
        这是初始化代码函数。下面给出poll的init函数。
//poll.c文件	
static void *
poll_init(struct event_base *base)
{
	struct pollop *pollop;
	if (!(pollop = mm_calloc(1, sizeof(struct pollop))))
		return (NULL);
	evsig_init(base);
	return (pollop);
}

        可以看到,其调用了evsig_init函数。而正是这个evsig_init函数完成了创建socketpair并将socketpair的一个读端与ev_signal相关联。

//signal.c文件
int
evsig_init(struct event_base *base)
{
	//创建一个socketpair
	if (evutil_socketpair(
		    AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, base->sig.ev_signal_pair) == -1) {
#ifdef WIN32
		/* Make this nonfatal on win32, where sometimes people
		   have localhost firewalled. */
		event_sock_warn(-1, "%s: socketpair", __func__);
#else
		event_sock_err(1, -1, "%s: socketpair", __func__);
#endif
		return -1;
	}
	//子进程不能访问该socketpair
	evutil_make_socket_closeonexec(base->sig.ev_signal_pair[0]);
	evutil_make_socket_closeonexec(base->sig.ev_signal_pair[1]);
	base->sig.sh_old = NULL;
	base->sig.sh_old_max = 0;
	evutil_make_socket_nonblocking(base->sig.ev_signal_pair[0]);
	evutil_make_socket_nonblocking(base->sig.ev_signal_pair[1]);
	//将ev_signal_pair[1]与ev_signal这个event相关联。ev_signal_pair[1]为读端
	//该函数的作用等同于event_new。实际上event_new内部也是调用event_assign函数完成工作的
	event_assign(&base->sig.ev_signal, base, base->sig.ev_signal_pair[1],
		EV_READ | EV_PERSIST, evsig_cb, base);
	//标明是内部使用的
	base->sig.ev_signal.ev_flags |= EVLIST_INTERNAL;
	//Libevent中,event是有优先级的。前一篇博文已经说到这一点
	event_priority_set(&base->sig.ev_signal, 0); //最高优先级
	base->evsigsel = &evsigops;
	return 0;
}

        socketpair的两个端都调用evutil_make_socket_closeonexec,因为不能让子进程可以访问的这个socketpair。因为子进程的访问可能会出现扰乱。比如,子进程往socketpair发送信息,使得父进程的多路IO复用函数误以为信号发生了;父进程确实发生了信号,也往socketpair发送了一个字节,但却被子进程接收了这个字节。父进程没有监听到可读。

        在Windows中,并没有直接的可以使用的socketpair API。此时,Libevent就自己实现了一个socketpair。具体可以参考《通用类型和函数》。

        在函数的最后可以看到event_base的一个成员evsignal被赋值。evsignal是一个IO复用结构体,而evsigops是专门用于信号处理的 IO复用结构体变量。定义如下:
//signal.c文件
static const struct eventop evsigops = {
	"signal",
	NULL,
	evsig_add,
	evsig_del,
	NULL,
	NULL,
	0, 0, 0
};

        该结构体只有evsig_add和evsig_del这两个函数指针。实际在工作时有这两个函数就足够了。

将信号event加入到event_base:

        前面的代码已经完成了“创建socketpair并将socketpair的一个读端于ev_signal相关联”。接下来看其他的工作。假如要对一个绑定了某个信号的event调用event_add函数,那么在event_add的内部会调用event_add_internal函数。而event_add_internal函数又会调用evmap_signal_add函数。如果看了之前的博文,应该对这个流程不陌生。下面看看evmap_signal_add函数:
//evmap.c文件
int
evmap_signal_add(struct event_base *base, int sig, struct event *ev)
{
	//注意这里调用的是base的evsigsel变量。而不是evsel。
	const struct eventop *evsel = base->evsigsel;
	struct event_signal_map *map = &base->sigmap;
	...
	if (TAILQ_EMPTY(&ctx->events)) {
		//实际调用的是evsig_add函数
		if (evsel->add(base, ev->ev_fd, 0, EV_SIGNAL, NULL)
		    == -1)
			return (-1);
	}
	return (1);
}

        上面函数的内部调用了IO复用结构体的add函数指针,即调用了evsig_add。现在我们深入evsig_add函数。

/signal.c文件
static int
evsig_add(struct event_base *base, evutil_socket_t evsignal, short old, short events, void *p)
{
	struct evsig_info *sig = &base->sig;
	(void)p;
	//NSIG是信号的个数。定义在系统头文件中
	EVUTIL_ASSERT(evsignal >= 0 && evsignal < NSIG);
	/* catch signals if they happen quickly */
	//加锁保护。但实际其锁变量为NULL。所以并没有保护。应该会在以后的版本有所改正
	//在2.1.4-alpha版本中,就已经改进了这个问题。为锁变量分配了锁
	EVSIGBASE_LOCK();
	//如果有多个event_base,那么捕抓信号这个工作只能由其中一个完成。
	if (evsig_base != base && evsig_base_n_signals_added) {
		event_warnx("Added a signal to event base %p with signals "
		    "already added to event_base %p.  Only one can have "
		    "signals at a time with the %s backend.  The base with "
		    "the most recently added signal or the most recent "
		    "event_base_loop() call gets preference; do "
		    "not rely on this behavior in future Libevent versions.",
		    base, evsig_base, base->evsel->name);
	}
	evsig_base = base;
	evsig_base_n_signals_added = ++sig->ev_n_signals_added;
	evsig_base_fd = base->sig.ev_signal_pair[0]; //写端。0是写端,这确实与之前所接触到的有所不同
	EVSIGBASE_UNLOCK();
	//设置Libevent的信号捕抓函数
	if (_evsig_set_handler(base, (int)evsignal, evsig_handler) == -1) {
		goto err;
	}
	//event_base第一次监听信号事件。要添加ev_signal到event_base中
	if (!sig->ev_signal_added) {
		//注意,本函数的调用路径为event_add->event_add_internal->evmap_signal_map->evsig_add
		//所以这里是递归调用event_add函数。而event_add函数是会加锁的。所以需要锁为递归锁
		if (event_add(&sig->ev_signal, NULL))//添加一个内部的event
			goto err;
		sig->ev_signal_added = 1;
	}
	return (0);
err:
	EVSIGBASE_LOCK();
	--evsig_base_n_signals_added;
	--sig->ev_n_signals_added;
	EVSIGBASE_UNLOCK();
	return (-1);
}

        从后面的那个if语句可以得知,当sig->ev_signal_added变量为0时(即用户第一次监听一个信号),就会将ev_signal这个event加入到event_base中。从前面的“统一事件源”可以得知,这个ev_signal的作用就是通知event_base,有信号发生了。只需一个event即可完成工作,即使用户要监听多个不同的信号,因为这个event已经和socketpair的读端相关联了。如果要监听多个信号,那么就在信号处理函数中往这个socketpair写入不同的值即可。event_base能监听到可读,并可以从读到的内容可以判断是哪个信号发生了。

       从代码中也可得知,Libevent并不会为每一个信号监听创建一个event。它只会创建一个全局的专门用于监听信号的event。这个也是“统一事件源”的工作原理。

设置信号捕抓函数:

       evsig_add函数还调用了_evsig_set_handler函数完成设置Libevent内部的信号捕抓函数。

//signal.c文件
typedef void (*ev_sighandler_t)(int);
//evsignal是信号值,handler是信号捕抓函数
int
_evsig_set_handler(struct event_base *base,
    int evsignal, void (__cdecl *handler)(int))
{
	//如果有sigaction就优先使用之
#ifdef _EVENT_HAVE_SIGACTION
	struct sigaction sa;
#else
	ev_sighandler_t sh;
#endif
	struct evsig_info *sig = &base->sig;
	void *p;
	//数组的一个元素就存放一个信号。信号值等于其下标
	if (evsignal >= sig->sh_old_max) { //不够内存。重新分配
		int new_max = evsignal + 1;
		event_debug(("%s: evsignal (%d) >= sh_old_max (%d), resizing",
			    __func__, evsignal, sig->sh_old_max));
		p = mm_realloc(sig->sh_old, new_max * sizeof(*sig->sh_old));
		if (p == NULL) {
			event_warn("realloc");
			return (-1);
		}
		memset((char *)p + sig->sh_old_max * sizeof(*sig->sh_old),
		    0, (new_max - sig->sh_old_max) * sizeof(*sig->sh_old));
		sig->sh_old_max = new_max;
		sig->sh_old = p;
	}
	//注意sh_old是一个二级指针。元素是一个一级指针。为这个一级指针分配内存
	/* allocate space for previous handler out of dynamic array */
	sig->sh_old[evsignal] = mm_malloc(sizeof *sig->sh_old[evsignal]);
	if (sig->sh_old[evsignal] == NULL) {
		event_warn("malloc");
		return (-1);
	}
	/* save previous handler and setup new handler */
#ifdef _EVENT_HAVE_SIGACTION
	memset(&sa, 0, sizeof(sa));
	sa.sa_handler = handler;
	sa.sa_flags |= SA_RESTART;
	sigfillset(&sa.sa_mask);
	//设置信号处理函数
	if (sigaction(evsignal, &sa, sig->sh_old[evsignal]) == -1) {
		event_warn("sigaction");
		mm_free(sig->sh_old[evsignal]);
		sig->sh_old[evsignal] = NULL;
		return (-1);
	}
#else
	//设置信号处理函数
	if ((sh = signal(evsignal, handler)) == SIG_ERR) {
		event_warn("signal");
		mm_free(sig->sh_old[evsignal]);
		sig->sh_old[evsignal] = NULL;
		return (-1);
	}
	 //保存之前的信号捕抓函数。当用户event_del这个信号监听后,就可以恢复了
	*sig->sh_old[evsignal] = sh;
#endif
	return (0);
}
        如果看过《UNIX环境高级编程》信号那章的话,上面这段代码很容易看懂。这里就不讲了。

        这里我们做一个猜测:当我们对某个信号进行event_newevent_add后,就不应该再次设置该信号的信号捕抓函数。否则event_base将无法监听到信号的发生。下面代码验证这猜测。

#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<signal.h>
#include<event.h>
void sig_cb(int fd, short events, void *arg)
{
    printf("in the sig_cb\n");
}
void signal_handle(int sig)
{
    printf("catch the sig %d\n", sig);
}
int main()
{
    struct event_base *base = event_base_new();
    struct event *ev = evsignal_new(base, SIGUSR1, sig_cb, NULL);
    event_add(ev, NULL);
    signal(SIGUSR1, signal_handle);
    printf("pid = %d\n", getpid());
    printf("begin\n");
    event_base_dispatch(base);
    printf("end\n");
    return 0;
}

        运行上面代码, 通过在外部给这个进程发生信号的方式。可以看到,event_base确实无法监听到信号了。所有信号都被signal_handle捕抓了。

捕抓信号:

        前面的代码中有两个函数并没有讲,分别是信号捕抓函数evsig_handler和调用event_assign时的信号回调函数evsig_cb。
//signal.c文件
static void __cdecl
evsig_handler(int sig)
{
	...
	ev_uint8_t msg;
	if (evsig_base == NULL) {
		event_warnx(
			"%s: received signal %d, but have no base configured",
			__func__, sig);
		return;
	}
#ifndef _EVENT_HAVE_SIGACTION
	//这主要是为了应对旧时代的信号不可靠
	//现在的OS并不会出现这个问题
	signal(sig, evsig_handler);
#endif
	/* Wake up our notification mechanism */
	msg = sig;
	send(evsig_base_fd, (char*)&msg, 1, 0); //向socketpair写入一个字节
	...
}

        从evsig_handler函数的实现可以看到,实现得相当简单。只是将信号对应的值写入到socketpair中。evsig_base_fd是socketpair的写端,这是一个全局变量,在evsig_add函数中被赋值的。

        从“统一事件源”的工作原理来看,现在已经完成了对信号的捕抓,已经将该信号的当作IO事件写入到socketpair中了。现在event_base应该已经监听到socketpair可读了,并且会为调用回调函数evsig_cb了。下面看看evsig_cb函数。

//signal.c文件
static void
evsig_cb(evutil_socket_t fd, short what, void *arg)
{
	static char signals[1024];
	ev_ssize_t n;
	int i;
	//NSIG是信号的个数	
	int ncaught[NSIG];
	struct event_base *base;
	base = arg;
	memset(&ncaught, 0, sizeof(ncaught));
	while (1) {
		//读取socketpair中的数据。从中可以知道有哪些信号发生了
		//已经socketpair的读端已经设置为非阻塞的。所以不会被阻塞在
		//recv函数中。这个循环要把socketpair的所有数据都读取出来
		n = recv(fd, signals, sizeof(signals), 0);
		if (n == -1) {
			int err = evutil_socket_geterror(fd);
			if (! EVUTIL_ERR_RW_RETRIABLE(err))
				event_sock_err(1, fd, "%s: recv", __func__);
			break;
		} else if (n == 0) {
			/* XXX warn? */
			break;
		}
		//遍历数据数组,把每一个字节当作一个信号
		for (i = 0; i < n; ++i) {
			ev_uint8_t sig = signals[i];
			if (sig < NSIG)
				ncaught[sig]++; //该信号发生的次数
		}
	}
	EVBASE_ACQUIRE_LOCK(base, th_base_lock);
	for (i = 0; i < NSIG; ++i) {
		if (ncaught[i]) //有信号发生就为之调用evmap_signal_active
			evmap_signal_active(base, i, ncaught[i]);
	}
	EVBASE_RELEASE_LOCK(base, th_base_lock);
}

        该回调函数的作用是读取socketpair的所有数据,并将数据当作信号,再根据信号值调用evmap_signal_active。

        有一点要注意,evsig_cb这个回调函数并不是用户为监听一个信号调用event_new时设置的用户回调函数,而是Libevent内部为了处理信号而设置的内部回调函数。累!!

激活信号event:

        虽然如此,但是现在的情况是:当有信号发生时,就会调用evmap_signal_active函数。
//event-internal.h文件
#define ev_signal_next	_ev.ev_signal.ev_signal_next
#define ev_ncalls	_ev.ev_signal.ev_ncalls
#define ev_pncalls	_ev.ev_signal.ev_pncalls
//evmap.c文件
void //后两个参数分别是信号值和发生的次数。
evmap_signal_active(struct event_base *base, evutil_socket_t sig, int ncalls)
{
	struct event_signal_map *map = &base->sigmap;
	struct evmap_signal *ctx;
	struct event *ev;
	//通过这个fd找到对应的TAILQ_HEAD
	GET_SIGNAL_SLOT(ctx, map, sig, evmap_signal);
	//遍历该fd的队列
	TAILQ_FOREACH(ev, &ctx->events, ev_signal_next)
		event_active_nolock(ev, EV_SIGNAL, ncalls);
}
//event.c文件
void
event_active_nolock(struct event *ev, int res, short ncalls)
{
	struct event_base *base;
	base = ev->ev_base;
	ev->ev_res = res;
	//这将停止处理低优先级的event。一路回退到event_base_loop中。
	if (ev->ev_pri < base->event_running_priority)
		base->event_continue = 1;
	if (ev->ev_events & EV_SIGNAL) {
#ifndef _EVENT_DISABLE_THREAD_SUPPORT
		if (base->current_event == ev && !EVBASE_IN_THREAD(base)) {
			++base->current_event_waiters;
			//由于此时是主线程执行,所以并不会进行这个判断里面
			EVTHREAD_COND_WAIT(base->current_event_cond, base->th_base_lock);
		}
#endif
		ev->ev_ncalls = ncalls;
		ev->ev_pncalls = NULL;
	}
	//插入到激活队列中.插入到队尾
	event_queue_insert(base, ev, EVLIST_ACTIVE);
}
        通过evmap_signal_active、event_active_nolock和event_queue_insert这三个函数的调用后,就可以把一个event插入到激活队列了。

        由于这些函数的执行本身就是在Libevent处理event的回调函数之中的(Libevent正在处理内部的信号处理event)。所以并不需要从event_base_loop里的while循环里面再次执行一次evsel->dispatch(),才能执行到这次信号event。即无需等到下一次处理激活队列,就可以执行该信号event了。分析如下:

        首先要明确,现在执行上面三个函数相当于在执行event的回调函数。所以其是运行在event_process_active函数之中的。为什么是在这里,可以参考《Libevent工作流程探究》一文。

//event.c文件
static int
event_process_active(struct event_base *base)
{
	struct event_list *activeq = NULL;
	int i, c = 0;
	//从高优先级到低优先级遍历优先级数组
	for (i = 0; i < base->nactivequeues; ++i) {
		//对于特定的优先级,遍历该优先级的所有激活event
		if (TAILQ_FIRST(&base->activequeues[i]) != NULL) {
			base->event_running_priority = i;
			activeq = &base->activequeues[i];
			c = event_process_active_single_queue(base, activeq);
		}
	}
	return c;
}
static int
event_process_active_single_queue(struct event_base *base,
    struct event_list *activeq)
{
	struct event *ev;
	//遍历该优先级的所有event,并处理之
	for (ev = TAILQ_FIRST(activeq); ev; ev = TAILQ_FIRST(activeq)) {
		...//开始处理这个event。会调用event的回调函数
	}
}

        从上面的代码可以看到,Libevent在处理内部的那个信号处理event的回调函数时,其实是在event_process_active_single_queue的一个循环里面。因为Libevent内部的信号处理event的优先级最高优先级,并且在前面的将用户信号event插入到队列(即event_queue_insert),在插入到队列的尾部。所以无论用户的这个信号event的优先级是多少,都是在Libevent的内部信号处理event的后面。所以在遍历上面两个函数的里外两个循环时,肯定会执行到用户的信号event。

执行已激活信号event:

        现在看看Libevent是怎么处理已激活的信号event的。

//event.c文件
static inline void
event_signal_closure(struct event_base *base, struct event *ev)
{
	short ncalls;
	int should_break;
	/* Allows deletes to work */
	ncalls = ev->ev_ncalls;
	if (ncalls != 0)
		ev->ev_pncalls = &ncalls;
	//while循环里面会调用用户设置的回调函数。该回调函数可能会执行很久
	//所以要解锁先.
	EVBASE_RELEASE_LOCK(base, th_base_lock);
	//如果该信号发生了多次,那么就需要多次执行回调函数
	while (ncalls) {
		ncalls--;
		ev->ev_ncalls = ncalls;
		if (ncalls == 0)
			ev->ev_pncalls = NULL;
		(*ev->ev_callback)(ev->ev_fd, ev->ev_res, ev->ev_arg);
		EVBASE_ACQUIRE_LOCK(base, th_base_lock);
		//其他线程调用event_base_loopbreak函数中断之
		should_break = base->event_break; 
		EVBASE_RELEASE_LOCK(base, th_base_lock);
		if (should_break) {
			if (ncalls != 0)
				ev->ev_pncalls = NULL;
			return;
		}
	}
}
        可以看到,如果对应的信号发生了多次,那么该信号event的回调函数将被执行多次。
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