WebServer -- 定時器處理非活動連接（上）

🍍函數指針

🌼基礎知識

🐙整體概述

🎂基礎API

sigaction 結構體

sigaction()

sigfillset()

SIGALRM, SIGTERM 信號

alarm()

socketpair()

send()

📕信號通知流程

統一事件源

信號處理機制

🌼源碼分析

信號處理函數

信號通知邏輯

代碼

🍍函數指針

函數指針是指向函數的指針變量。在C和C++中，函數被存儲在內存中的某個位置，函數指針可以指向這個內存位置，從而允許通過指針間接調用函數。

函數指針的聲明方式👇

返回類型 (*指針變量名)(參數列表);

例如，如果有一個函數 void myFunction(int x)

void (*funcPtr)(int); // 聲明一個指向函數的指針變量 funcPtr
funcPtr = &myFunction; // 將函數的地址賦給指針變量
// 通過函數指針調用函數
funcPtr(10); // 調用 myFunction(10)

🌼基礎知識

非活躍?

客戶端（即瀏覽器）與服務器建立連接后，長時間不交換數據，一直占用服務器的文件描述符，導致連接資源浪費

定時事件

固定一段時間后觸發某段代碼，由該代碼處理一個事件

eg: 從內核表刪除事件，并關閉文件描述符，釋放連接資源

定時器

利用結構體 / 其他形式，將多種定時事件封裝。

具體的，這里只涉及一種定時事件，即 -- 定期檢測非活躍連接，

這里將該定時事件與連接資源，封裝為一個結構體定時器

定時器容器

使用某種容器類數據結構，將上述多個定時器組合起來，便于對定時事件統一管理

比如，項目中使用升序鏈表，將所有定時器串聯起來

🐙整體概述

簡介

定時器處理非活動連接是一種機制，用于檢測和關閉長時間沒有活動的客戶端連接
定時器會周期性地檢查連接的活動狀態，并在連接超過一定時間沒有任何數據傳輸時，將其標記為非活動連接并關閉

具體來說，當客戶端與服務器建立連接后，服務器會啟動一個定時器來監視該連接的活動狀態
每當服務器接收到客戶端發送的數據或發送數據給客戶端時，定時器會被重置，表示該連接是活動的
如果在一段時間內沒有任何數據傳輸，定時器將超時并關閉該連接

TinyWebServer 中，服務器主循環為每一個連接創建一個定時器，并對每個連接進行定時

此外，升序事件鏈表容器，將所有定時器串聯起來

若主循環收到定時通知，則在鏈表中依次執行定時任務

Linux提供 3 種定時方法👇

socket 選項 SO_RECVTIMEO 和 SO_SNDTIMEO
SIGALRM信號
I / O 復用系統調用的超市參數

TinyWebServer 使用 SIGALRM 信號

具體的，利用 alarm() 函數周期性地觸發 SIGALRM 信號，信號處理函數利用管道通知主循環

主循環接收到信號后，處理升序鏈表的所有定時器

若這段時間內，沒有交換數據，則將該連接關閉，釋放占用的資源

由此可見，定時器處理非活動連接模塊，分 2 部分：

1）定時方法與信號通知流程

2）定時器及其容器設計與定時任務的處理

總覽

定時方法 + 信號通知流程

涉及基礎API，信號通知流程，代碼實現

基礎API

sigaction 結構體，SIGALRM 信號， SIGTERM 信號

函數👇

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

信號通知流程

?統一事件源 + 信號處理機制

🎂基礎API

更好的源碼閱讀體驗~

sigaction 結構體

sa_handler()?-- 函數指針，指向信號處理函數
sa_sigaction() -- 信號處理函數，3個參數，獲得關于信號更詳細的信息
sa_mask -- 信號處理函數執行期間，需要被屏蔽的信號
sa_falgs -- 信號處理行為
SA_RESTART：使被信號打斷的系統調用，重新自動發起
SA_NOCLDSTOP：使父進程，在其子進程暫停/繼續運行時，不會收到 SIGCHLD 信號
SA_NOCLDWAIT：使父進程，在其子進程退出時，不會收到 SIGCHLD 信號，此時子進程退出不會成為僵尸進程
SA_NODEFER：使對信號的屏蔽無效，即，在信號處理函數期間，仍能發出這個信號
SA_RESETHAND：信號處理之后，重新設置為默認的處理方式
SA_SIGINFO：使用 sa_sigaction 成員，而不是 sa_handler 作為信號處理函數
sa_restorer -- 一般不使用

// 定義一個結構體sigaction，用于處理信號
struct sigaction {// 指向處理信號的函數指針，接受一個int參數void (*sa_handler)(int);// 指向處理信號的函數指針，接受3個參數void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t*, void*);// 信號掩碼sigset_t sa_mask;// 標志位int sa_flags;// 恢復處理程序的函數指針，不接受參數，不返回任何值void (*sa_restorer)(void);
};

sigaction()

signum? ? 操作的信號
act? ? 對信號設置新的處理方式
oldact? ? 信號舊的處理方式
返回值，0 成功，-1 有錯誤發生

#include<signal.h>int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,struct sigaction *oldact);

sigfillset()

信號集

👆在 Linux 系統中，通常使用?sigset_t類型來表示信號集。這個類型通常是一個整數數組，每個元素對應一個信號，用來表示該信號是否被設置

👇將參數 set 信號集初始化，然后把所有信號加入此信號集

#include<signal.h>int sigfillset(sigset_t *set);

SIGALRM, SIGTERM 信號

#define SIGALRM 14 // alarm 系統調用 產生timer時鐘信號
#define SIGTERM 15 // 終端發送的終止信號

alarm()

設置信號傳送鬧鐘，即，設置信號 SIGALRM，經過參數 seconds 秒后，發送給目前進程

如果未設置信號 SIGALRM 的處理函數，那么 alarm() 默認處理終止進程

#include<unistd.h>unsigned int alarm(unsigned int seconds);

socketpair()

Linux 下，使用 socketpair() 函數，創建一對套接字進行通信，TinyWebServer 使用管道通信

domain -- 協議族（PF_UNIX 或 AF_UNIX）
type -- 協議（SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM），SOCK_STREAM 基于 TCP，SOCK_DGRAM 基于 UDP
protocol -- 類型（只能為 0）
sv[2] -- 套接字柄對，兩個句柄作用相同，均可獨寫雙向操作
返回結果，0 成功，-1 創建失敗

#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
int socketpair(int domain, int type, int protocol, int sv[2]);

send()

套接字發送緩沖區變滿時，send 通常會阻塞，除非套接字設置成非阻塞模式

當緩沖區變滿，返回 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK 錯誤，此時可調用 select() 函數，來監視何時可以發送數據

#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

📕信號通知流程

Linux 下信號，采用異步處理機制，信號處理函數和當前進程是 2 條不同的執行路線

異步處理機制👇解釋

在Linux系統中，信號就像是一種突然發生的事件通知，比如按下Ctrl+C鍵發送的中斷信號。當這個事件發生時，操作系統會中斷當前正在進行的工作，去執行與之對應的處理函數，處理完后再回到原來的工作。

這個處理過程是異步的，也就是說，處理信號的函數和當前正在執行的程序是兩條不同的路線。處理函數負責響應信號事件，而當前程序則會在收到信號時被中斷，等待處理完畢后再繼續執行。這樣可以保證及時響應各種突發事件，確保系統的穩定和安全。

當進程收到信號時，操作系統會中斷當前的正常流程，轉而進入信號處理函數執行操作，完成后再返回中斷的地方繼續執行

為了避免信號競態的發生，信號處理期間，系統不會再次觸發它

所以，為確保該信號不被屏蔽太久，信號處理函數，需要盡可能快地執行完畢

信號處理函數，需要處理該信號對應的邏輯，當該邏輯較復雜，信號處理函數執行時間過長，會導致信號屏蔽太久

解決方案

信號處理函數，僅發送信號，通知程序主循環，將信號對應的處理邏輯，放在主循環中

由主循環執行信號對應的邏輯代碼

統一事件源

指的是，將信號事件與其他事件一樣被處理

eg：信號處理函數使用? 管道? 將信號傳遞給? 主循環

信號處理函數往? 管道的寫端? 寫入信號值

主循環則從? 管道的讀端? 讀出信號值

使用 I / O 復用系統調用來監聽? 管道讀端? 的可讀事件

此時，信號事件與其他文件描述符都可以通過 epoll 來監測，從而實現統一處理

信號處理機制

每個進程中，都存在一個表，里面存著每種信號所代表的含義，內核通過設置表項中每一個位，來標識對應的信號類型

信號接收
接收信號的任務是由內核代理的，當內核接收到信號后，會將其放到對應進程的信號隊列中，同時向進程發送一個中斷，使其陷入內核態。注意，此時信號還只是在隊列中，對進程來說，暫時不知道信號到來了
信號檢測
進程從內核態返回到用戶態前，進行信號檢測
進程在內核態中，從睡眠被喚醒時，進行信號檢測
進程陷入內核態后，有 2 種場景對信號進行檢測
當發現新信號時，會進入下一步，信號的處理
信號處理
（內核）信號處理函數，運行在用戶態，調用處理函數前，內核會將當前的內核棧的內容備份，拷貝到用戶棧上，并修改指令寄存器（eip），將其指向信號處理函數
（用戶）接下來，進程返回用戶態，執行相應的信號處理函數
（內核）信號處理函數執行完畢后，還要返回內核態，檢查是否還有其他信號未處理
（用戶）所有信號處理完后，內核棧就會恢復（從用戶棧的備份拷貝），同時恢復指令寄存器（eip），將其指向中斷前的運行位置，最后返回用戶態，繼續執行進程

到此，一個完整的信號處理流程就結束了

如果同時有多個信號到達，上面的處理流程，會在第 2 步和第 3 步間循環

🌼源碼分析

信號處理函數

自定義信號處理函數，創建 sigaction 結構體變量，設置信號函數

// 信號處理函數
void sig_handler(int sig)
{// 為保證函數的可重入性，保留原來的errno// 可重入性：中斷后，再次進入該函數，環境變量與之前相同// 不會丟失數據int save_errno = errno;int msg = sig;// 信號值從 管道寫端 寫入，傳輸字符類型，而非 整型send(pipefd[1], (char*)&msg, 1, 0);// 原來的 errno 賦值為當前的 errnoerrno = save_errno;
}

?信號處理函數中，僅通過管道發送信號值，不處理信號對應的邏輯，縮短異步執行時間，減少對主程序影響

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

👆解釋

sig：要注冊的信號。
handler：信號處理函數。
restart：標志，指示是否在中斷系統調用后自動重啟該調用。

函數聲明中使用了函數指針作為參數，這意味著 handler 參數必須是一個指向函數的指針，該函數接受一個整數參數并返回 void 類型

// 設置信號函數
void addsig(int sig, void(handler)(int), bool restart = true)
{// 創建 sigaction 結構體變量struct sigaction sa;// 起始地址, 初值，字節數memeset(&sa, '\0', sizeof(sa));// 信號處理函數中僅發送 信號值，不做對應邏輯處理sa.sa_handler = handler; // 函數指針// 對結構體變量 按位或，SA_RESTART 標志位變1// 表示需要自動重啟if (restart)sa.sa_flags |= SA_RESTART;// 所有信號添加到 信號集 中sigfillset(&sa.sa_mask);// 執行 sigaction() 函數assert(sigaction(sig, &sa, NULL) != -1);
}

項目中設置信號函數，僅關注 SIGTERM 和 SIGALRM 兩個信號

信號通知邏輯

創建管道，管道寫端寫入信號值，管道讀端通過 I / O 復用系統檢測讀事件
設置信號處理函數 SIGALRM（時間到了觸發）和 SIGTERM（kill 會觸發，ctrl + c）
通過 struct sigaction 結構體和 sigaction() 函數，注冊信號捕捉函數（結構體和函數進行關聯）
在結構體的 handler 參數，設置信號處理函數，具體的，從管道寫端寫入信號名字
利用 I /O 復用系統，監聽管道讀端文件描述符的可讀事件
信息值傳遞給主循環，主循環再根據接收到的信號值，執行目標信號對應的邏輯代碼

代碼

// 創建管道套接字
ret = socketpair(PF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, pipefd);
assert(ret != -1);// 設置管道寫端非阻塞，為什么寫端要非阻塞？
setnonblocking(pipefd[1]);// 設置管道讀端為 ET 非阻塞
addfd(epollfd, pipefd[0], false);// 傳遞給主循環的信號值，這里只關注 SIGALRM 和 SIGTERM
addsig(SIGALRM, sig_handler, false);
addsig(SIGTERM, sig_handler, false);// 循環條件
bool stop__server = false;// 超時標志
bool timeout = false;// 每隔 TIMESLOT 時間，觸發 SIGALRM 信號
alarm(TIMESLOT);while (!stop_server)
{// 監測發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;// 輪詢文件描述符for (int i = 0; i < number; i++) {int sockfd = events[i].data.fd;// 管道讀端 對應的 文件描述符 發生讀事件/*按位與 & 運算符判斷某個特定的標志位是否在 events[i].events 中被設置（是否發生了讀事件）如果結果為真，表示發生了讀事件程序將會執行相應的邏輯來處理該事件*/if ( (sockfd == pipefd[0]) &&  (events[i].events & EPOLLIN) ){int sig;char signals[1024];// 從 管道讀端 讀出信號值，成功-返回字節數，失敗-返回-1// 一般，這里的ret返回值總是 1// 只有 14，15 兩個 ASCII碼 對應的字符ret = recv(pipefd[0], signals, sizeof(signals), 0);if (ret == -1) // handle the errorcontinue;else if (ret == 0)continue;else {// 處理 信號值 對應的邏輯for (int i = 0; i < ret; ++i) {switch (signals[i]) { // charcase SIGALRM: // int{timeout = true;break;}case SIGTERM:stop_server = true;}}}}}
}

補充解釋

ret = recv(pipefd[0], signals, sizeof(signals), 0);

pipefd[0]?是管道的讀端文件描述符
signals?是一個緩沖區，用于存儲接收到的數據
sizeof(signals)?表示?signals?緩沖區的大小，即要接收的數據的最大字節數
0?是可選的參數，用于指定接收數據時的額外標志。在此處，它表示沒有任何特殊的處理要求

函數執行過程👇

recv()?函數阻塞等待，直到管道讀端文件描述符 (pipefd[0]) 中有數據可讀
一旦有數據可讀，recv()?函數將讀取數據并將其存儲在?signals?緩沖區中
recv()?函數返回讀取的字節數，并將其賦值給變量?ret，以便后續處理

問題1：為什么管道寫端要非阻塞？

send() 將信息發送給套接字緩沖區，如果緩沖區滿了，就會阻塞

這時會進一步增加信號處理函數的執行時間，為此，將其修改為非阻塞

👆補充解釋

代碼中的 setnonblocking(pipefd[1]) 調用將管道寫端設置為非阻塞模式，這意味著寫入管道時不會被阻塞，而是立即返回。這是因為在主循環中，當有事件發生時，程序會將相應的數據寫入管道以觸發 SIGALRM 或 SIGTERM 信號，從而實現定時和停止服務器的功能。如果管道寫端是阻塞的，則當數據無法立即寫入管道時，程序會被阻塞等待，直到數據寫入成功或出現錯誤。這可能會導致定時事件失效或無法及時停止服務器。因此，將管道寫端設置為非阻塞模式是必要的?

問題2：沒有對 非阻塞返回值 處理，如果阻塞是不是意味著這一次 定時事件 失效了？

對，但定時事件不是必須立即處理的事件，可以允許這樣的情況發生

👆補充解釋

代碼中的管道寫端是非阻塞的，因此如果寫入的數據無法立即發送，則會立即返回，并且不會阻塞等待。如果沒有處理非阻塞返回值，則會導致寫入失敗而沒有得到及時處理。如果這種情況經常發生，則可能會導致定時事件失效，因為無法在規定的時間內將數據寫入管道
定時事件不是必須立即處理的事件。在這個例子中，定時事件是通過 SIGALRM 信號實現的，每隔 TIMESLOT 時間就會觸發一次該信號。即使寫入管道失敗，也不會導致 SIGALRM 信號失效，因為下一次定時事件仍然會在規定的時間內觸發。因此，在這種情況下，可以允許寫入管道失敗并且不處理非阻塞返回值

問題3：管道傳遞的是什么類型？switch-case 的變量沖突？