Linux高性能网络:协程系列07-协程实现之定义

目录

7.协程实现之定义

7.0 前言

  问题:协程如何定义? 调度器如何定义?
  先来一道设计题:
  设计一个协程的运行体R与运行体调度器S的结构体
  1. 运行体R:包含运行状态{就绪,睡眠,等待},运行体回调函数,回调参数,栈指针,栈大小,当前运行体
  2. 调度器S:包含执行集合{就绪,睡眠,等待}
  这道设计题拆分两个个问题,一个运行体如何高效地在多种状态集合更换。调度器与运行体的功能界限。

7.1 运行体如何高效地在多种状态集合更换

  新创建的协程,创建完成后,加入到就绪集合,等待调度器的调度;协程在运行完成后,进行IO操作,此时IO并未准备好,进入等待状态集合;IO准备就绪,协程开始运行,后续进行sleep操作,此时进入到睡眠状态集合。
  就绪(ready),睡眠(sleep),等待(wait)集合该采用如何数据结构来存储?
  就绪(ready)集合并不没有设置优先级的选型,所有在协程优先级一致,所以可以使用队列来存储就绪的协程,简称为就绪队列(ready_queue)。
  睡眠(sleep)集合需要按照睡眠时长进行排序,采用红黑树来存储,简称睡眠树(sleep_tree)红黑树在工程实用为<key, value>, key为睡眠时长,value为对应的协程结点。
  等待(wait)集合,其功能是在等待IO准备就绪,等待IO也是有时长的,所以等待(wait)集合采用红黑树的来存储,简称等待树(wait_tree),此处借鉴nginx的设计。

  数据结构如下图所示:
运行体数据结构

  Coroutine就是协程的相应属性,status表示协程的运行状态。sleep与wait两颗红黑树,ready使用的队列,比如某协程调用sleep函数,加入睡眠树(sleep_tree),status |= S即可。比如某协程在等待树(wait_tree)中,而IO准备就绪放入ready队列中,只需要移出等待树(wait_tree),状态更改status &= ~W即可。有一个前提条件就是不管何种运行状态的协程,都在就绪队列中,只是同时包含有其他的运行状态。

7.2 调度器与协程的功能界限

  每一协程都需要使用的而且可能会不同属性的,就是协程属性。每一协程都需要的而且数据一致的,就是调度器的属性。比如栈大小的数值,每个协程都一样的后不做更改可以作为调度器的属性,如果每个协程大小不一致,则可以作为协程的属性。
  用来管理所有协程的属性,作为调度器的属性。比如epoll用来管理每一个协程对应的IO,是需要作为调度器属性。

  按照前面几章的描述,定义一个协程结构体需要多少域,我们描述了每一个协程有自己的上下文环境,需要保存CPU的寄存器ctx;需要有子过程的回调函数func;需要有子过程回调函数的参数 arg;需要定义自己的栈空间 stack;需要有自己栈空间的大小 stack_size;需要定义协程的创建时间 birth;需要定义协程当前的运行状态 status;需要定当前运行状态的结点(ready_next, wait_node, sleep_node);需要定义协程id;需要定义调度器的全局对象 sched。
  协程的核心结构体如下:

typedef struct _nty_coroutine {

    nty_cpu_ctx ctx;
    proc_coroutine func;
    void *arg;
    size_t stack_size;

    nty_coroutine_status status;
    nty_schedule *sched;

    uint64_t birth;
    uint64_t id;

    void *stack;

    RB_ENTRY(_nty_coroutine) sleep_node;
    RB_ENTRY(_nty_coroutine) wait_node;

    TAILQ_ENTRY(_nty_coroutine) ready_next;
    TAILQ_ENTRY(_nty_coroutine) defer_next;

} nty_coroutine;

  调度器是管理所有协程运行的组件,协程与调度器的运行关系。


协程的调度

  调度器的属性,需要有保存CPU的寄存器上下文 ctx,可以从协程运行状态yield到调度器运行的。从协程到调度器用yield,从调度器到协程用resume。

  以下为协程的定义。

typedef struct _nty_coroutine_queue nty_coroutine_queue;

typedef struct _nty_coroutine_rbtree_sleep nty_coroutine_rbtree_sleep;
typedef struct _nty_coroutine_rbtree_wait nty_coroutine_rbtree_wait;

typedef struct _nty_schedule {
    uint64_t birth;
nty_cpu_ctx ctx;

    struct _nty_coroutine *curr_thread;
    int page_size;

    int poller_fd;
    int eventfd;
    struct epoll_event eventlist[NTY_CO_MAX_EVENTS];
    int nevents;

    int num_new_events;

    nty_coroutine_queue ready;
    nty_coroutine_rbtree_sleep sleeping;
    nty_coroutine_rbtree_wait waiting;

} nty_schedule;

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