在Linux網(wǎng)絡(luò)編程中如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理和定時(shí)器功能呢？

關(guān)于epoll驚群?jiǎn)栴}，什么是驚群呢？

比如我們?cè)趯?xiě)代碼過(guò)程中，使用兩個(gè)線程的epoll監(jiān)聽(tīng)socket，當(dāng)socket上有事件發(fā)生時(shí)，兩個(gè)epoll都會(huì)被喚醒，導(dǎo)致會(huì)操作同一個(gè)socket，這就是驚群，那如何解決呢？
（1）使用EPOLLEXCLUSIVE：EPOLLEXCLUSIVE是epoll的擴(kuò)展選項(xiàng)，它允許一個(gè)線程獨(dú)占一個(gè)epoll實(shí)例，從而避免了epoll的驚群?jiǎn)栴}；
（2）使用EPOLLONESHOT：對(duì)于注冊(cè)了EPOLLONESHOT事件的文件描述符，操作系統(tǒng)最多觸發(fā)一個(gè)可讀，可寫(xiě)或者異常事件，且觸發(fā)一次，這樣就能確保一個(gè)線程獲取事件并處理，但是需要注意的是對(duì)于監(jiān)聽(tīng)類型（如accept）不能使用EPOLLONESHOT，否則就不能持續(xù)監(jiān)聽(tīng)連接，對(duì)于處理完了的非監(jiān)聽(tīng)事件，需要重置EPOLLONESHOT；

第一部分：信號(hào)

1、發(fā)送信號(hào)給進(jìn)程

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

int kill(pid_t pid, int sig);

2、信號(hào)回調(diào)函數(shù)

#include < signal.h >

typedef void (&__sighandler_t) (int);

__sighandler_t signal(int sig, __sighandler_t _handler);

int sigaction(int sig, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);

（1）__sighandler_t信號(hào)處理的函數(shù)指針，其中處理參數(shù)為觸發(fā)信號(hào)當(dāng)前值，其中有兩個(gè)默認(rèn)宏（SIG_DFL：使用信號(hào)默認(rèn)處理，SIG_IGN：忽略目標(biāo)信號(hào)）；
（2）signal注冊(cè)信號(hào)回調(diào)處理函數(shù)，返回值為一個(gè)函數(shù)指針，含義是這個(gè)信號(hào)上一次處理的回調(diào)函數(shù)或者是系統(tǒng)默認(rèn)的處理函數(shù)，這里目的是讓用戶可以自己恢復(fù)信號(hào)處理方式，比如系統(tǒng)對(duì)于一些信號(hào)是殺掉進(jìn)程的，這里就應(yīng)該處理完自己的回調(diào)邏輯后再調(diào)用系統(tǒng)默認(rèn)行為；
（3）sigaction函數(shù)的功能是檢查或修改與指定信號(hào)相關(guān)聯(lián)的處理動(dòng)作，使用樣例如下：

#include < stdio.h >
#include < unistd.h >
#include < stdlib.h >
#include < signal.h >
 
int main()
{
    struct sigaction newact, oldact;
 
    newact.sa_handler = SIG_IGN; // 設(shè)置信號(hào)忽略，也可以設(shè)置為處理函數(shù)
    sigemptyset(&newact.sa_mask);
    newact.sa_flags = 0;
    int count = 0;
    pid_t pid = 0;
 
    sigaction(SIGINT, &newact, &oldact); // 原始的備份到oldact，為后續(xù)的處理恢復(fù)
 
    pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
        while(1)
        {
            printf("child exec ...n");
            sleep(1);
        }
        return 0;
    }
 
    while (1)
    {
        if (count++ > 3)
        {
            sigaction(SIGINT, &oldact, NULL); // 恢復(fù)父進(jìn)程信號(hào)處理方式
            kill(pid, SIGKILL); // 父進(jìn)程發(fā)信號(hào)給子進(jìn)程
        }
 
        printf("father exec ...n");
        sleep(1);
    }
 
    return 0;
}

第二部分：定時(shí)器

在Linux網(wǎng)絡(luò)編程中，定時(shí)器的作用主要是管理定時(shí)任務(wù)，處理過(guò)期連接，檢測(cè)超時(shí)隊(duì)列等，那我們可以通過(guò)哪些方式實(shí)現(xiàn)定時(shí)器呢？

1、利用系統(tǒng)API

...
setsockopt(socketfd, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, &timeout, len);
setsockopt(socketfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &timeout, len);
int number = epoll_wait(fd, events, MAX_EVENT_NUMBER, timeout);
...

通過(guò)使用socket的參數(shù)，設(shè)置連接句柄的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)超時(shí)時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)處理：
（1）SO_SNDTIMEO發(fā)送數(shù)據(jù)超時(shí)時(shí)間，根據(jù)timeout設(shè)置；
（2）SO_RCVTIMEO接收數(shù)據(jù)超時(shí)時(shí)間，根據(jù)timeout設(shè)置；
IO復(fù)用的參數(shù)中都帶了一個(gè)timeout參數(shù)，可以設(shè)置來(lái)達(dá)到定時(shí)觸發(fā)分支邏輯，比如epoll_wait；

2、簡(jiǎn)單的定時(shí)器

（1）啟動(dòng)一個(gè)線程實(shí)現(xiàn)定時(shí)器，具體實(shí)現(xiàn)如下圖：

1. 主線程啟動(dòng)，開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)，這里可以是網(wǎng)絡(luò)收發(fā)或者其他；
2. 啟動(dòng)一個(gè)線程，做定時(shí)任務(wù)處理使用；
3. 主線程需要增加定時(shí)任務(wù)，可以將任務(wù)封裝為task，添加到任務(wù)隊(duì)列中；
4. 同時(shí)通知定時(shí)線程，隊(duì)列中有任務(wù)了，這里通知機(jī)制可以是信號(hào)量或者廣播方式；
5. 定時(shí)線程取出隊(duì)列中任務(wù)，判斷當(dāng)前任務(wù)是否過(guò)期，如果過(guò)期就執(zhí)行，沒(méi)有過(guò)期就繼續(xù)放入任務(wù)隊(duì)列中，同時(shí)這里需要讓線程等待隊(duì)列中距離下一個(gè)周期最短的時(shí)間，繼續(xù)取隊(duì)列任務(wù)；

（2）使用epoll_wait設(shè)置timeout，是在網(wǎng)絡(luò)事件觸發(fā)的定時(shí)器中最方便的方式，具體邏輯如下：

... 
start_timer = ... // 開(kāi)始執(zhí)行時(shí)間
while (true) {
    int number = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, timeout);
    for (...) {
        ...
        // 處理連接任務(wù)
        ...
    }
    end_timer = ... // epoll_wait返回并處理任務(wù)時(shí)間
    // 處理定時(shí)任務(wù)，判斷當(dāng)前時(shí)間是否在一個(gè)timeout
    if (end_timer - start_timer > timeout) { // 這里是偽代碼，具體時(shí)間判斷可以參考linux結(jié)構(gòu)體
        ...
        // 啟動(dòng)線程執(zhí)行定時(shí)任務(wù)邏輯
        ...
    }
}

3、時(shí)間輪

時(shí)間輪是一種高效定時(shí)器，通過(guò)類似圓盤(pán)的形式定義每個(gè)tick，定時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)，假設(shè)每次tick時(shí)間為si，一個(gè)時(shí)間輪有N個(gè)tick，那么執(zhí)行轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)間為N*si；
現(xiàn)在插入一個(gè)任務(wù)，需要to1時(shí)間周期后執(zhí)行，這里就分情況處理：
（1）如果to1 < N*si，則需要分配到（當(dāng)前時(shí)間輪的位置 + to1 / si）的位置上，等待自然tick到達(dá)執(zhí)行當(dāng)前to1的定時(shí)任務(wù)；
（2）如果to1 > N*si，則需要分配到（當(dāng)前時(shí)間輪的位置 + (to1 % N) / si + N）的位置上，由于to1執(zhí)行時(shí)間超過(guò)一輪的周期，所以需要等待多輪轉(zhuǎn)動(dòng)后才能執(zhí)行，那如何處理呢？因此我們將每個(gè)輪的tick上掛一個(gè)鏈表，這個(gè)鏈表的節(jié)點(diǎn)表示到達(dá)這個(gè)tick需要執(zhí)行的任務(wù)to1，這里的節(jié)點(diǎn)有可能是大于一個(gè)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的事件周期，也可能就是當(dāng)前輪時(shí)間周期內(nèi)執(zhí)行，我們只需要當(dāng)事件到達(dá)tick時(shí)，取出鏈表遍歷鏈表節(jié)點(diǎn)to1，判斷是否是當(dāng)前事件周期內(nèi)執(zhí)行，如果是摘除鏈表節(jié)點(diǎn)然后執(zhí)行任務(wù)，如果不是則重新計(jì)算to1需要多久后執(zhí)行，計(jì)算方法就和上面的一樣（當(dāng)前時(shí)間輪位置 + ((to1 - 鏈表最小的周期時(shí)間) % N) / si + N），然后將當(dāng)前鏈表節(jié)點(diǎn)重新放回；

事件輪

4、時(shí)間堆

堆的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該大家都比較熟悉了，堆是一種滿足以下條件的樹(shù)：

• 堆中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的值總是不大于或不小于其父節(jié)點(diǎn)的值；
• 堆總是一棵完全二叉樹(shù)；
• 添加堆節(jié)點(diǎn)的時(shí)間復(fù)雜度O(lgn)，刪除節(jié)點(diǎn)是O(lgn)，獲取節(jié)點(diǎn)是O(1)；

時(shí)間堆

（1）循環(huán)線程讀取最小時(shí)間堆的堆頂元素；
（2）取出最小節(jié)點(diǎn)，判斷當(dāng)前事件是否過(guò)期，如果過(guò)期則繼續(xù)執(zhí)行，否則不處理；
（3）將最小節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的事件丟給執(zhí)行線程執(zhí)行；
這里最小時(shí)間堆節(jié)點(diǎn)在代碼實(shí)現(xiàn)中可以用一個(gè)數(shù)組表示，使用完全二叉樹(shù)的排列。

#include< iostream >

void heapify(int arr[], int n, int i) {
    if (i >= n) return;
    
    int min_node = i;
    int lson = i * 2 + 1;
    int rson = i * 2 + 2;
    if (lson < n && arr[min_node] > arr[lson]) { // 和左孩子比較，找到最小節(jié)點(diǎn)
        min_node = lson;
    }
    if (rson < n && arr[min_node] > arr[rson]) { // 和右孩子比較，找到最小節(jié)點(diǎn)
        min_node = rson;
    }
    if (min_node != i) {
        swap(arr[min_node], arr[i]);
        heapify(arr, n, min_node); // 遞歸處理
    }
}

void heapSort(int arr[], int n) {
    // 反向取出最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)
    int lastNode = n - 1;
    int parent = (lastNode - 1) / 2;
    for (int i = parent; i >= 0; i--) {
        heapify(arr, n, i); 
    }

    for (int i = n - 1; i >= 0; i--) {
        swap(arr[i], arr[0]);
        heapify(arr, i, 0); // 調(diào)整堆節(jié)點(diǎn)
    }
}

int main() {
    int arr[5] = { 70, 41, 10, 90, 18, 26 };
    heap_sort(arr, sizeof(arr) / sizeof(arr[0]));
    for (int i = 0; i < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); i++) {
        cout < < arr[i] < < endl;
    }
    return 0;
}