Linux环境下的事件驱动力量：探索Libevent的高性能I/O架构

Posted on by hackdl

hello ！大家好呀！ 欢迎大家来到我的Linux高性能服务器编程系列之《Linux环境下的事件驱动力量：探索Libevent的高性能I/O架构》，在这篇文章中，你将会学习到Libevent的高性能I/O原理以及应用，并且我会给出源码进行剖析，以及手绘UML图来帮助大家来理解，希望能让大家更能了解网络编程技术！！！

希望这篇文章能对你有所帮助，大家要是觉得我写的不错的话，那就点点免费的小爱心吧！（注：这章对于高性能服务器的架构非常重要哟！！！）

         

 

 

目录

 一.Libevent简介

二 .Libevent工作流程

三 . 一个简单实例展示流程

四 . Libevent源代码组织结构

 一.Libevent简介

   　　I/O 框架库以库函数的形式，封装了较为底层的系统调用，给应用程序提供了一组更便于使用的接口。这些库函数往往比程序员自己实现的同样功能的函数更合理、更高效，且更健壮。因为它们经受住了真实网络环境下的高压测试，以及时间的考验。

　　各种I/O框架库的实现原理基本相似，要么以Reactor模式实现， 要么以 Proactor模式实现，要么同时以这两种模式实现。举例来说，基于Reactor模式的I/O框架库包含如下几个组件: 句柄(Handle)、事件多路分发器(EventDemultiplexer)、事件处理器(EventHandler)和具体的事件处理器(ConcreteEventHandler)。

    1.句柄 ：I/O框架库要处理的对象，即I/O 事件、信号和定时事件，统一称为事件源。一个事件源通常和一个句柄绑定在一起。句柄的作用是，当内核检测到就绪事件时，它将通过句柄来通知应用程序这一事件。在Linux环境下，I/O 事件对应的句柄是文件描述符，信号事件对应的句柄就是信号值。

    2.事件多路分发器 ：事件的到来是随机的、异步的。我们无法预知程序何时收到一个客户连接请求，又亦或收到一个暂停信号。所以程序需要循环地等待并处理事件，这就是事件循环。在事件循环中，等待事件一般使用I/O 复用技术来实现。I/O 框架库一般将系统支持的各种I/O 复用系统调用封装成统一的接口，称为事件多路分发器。事件多路分发器的demultiplex 方法是等待事件的核心函数,其内部调用的是 select、poll、epoll _ wait等函数。
 

    3.事件处理器和具体事件处理器 ： 事件处理器执行事件对应的业务逻辑。它通常包含一个或多个hand le event回调函数，这些回调函数在事件循环中被执行。I/O框架库提供的事件处理器通常是一个接口，用户需要继承它来实现自己的事件处理器，即具体事件处理器。因此，事件处理器中的回调函数一般被声明为虚函数，以支持用户的扩展。此外，事件处理器一般还提供一个get handle方法，它返回与该事件处理器关联的句柄。那么，事件处理器和句柄有什么关系?当事件多路分发器检测到有事件发生时，它是通过句柄来通知应用程序的。因此，我们必须将事件处理器和句柄绑定，才能在事件发生时获取到正确的事件处理器。

    4. Reactor是I/O 框架库的核心。它提供的几个主要方法是：handle _ events。该方法执行事件循环。它重复如下过程：等待事件，然后依次处理所有就绪事件对应的事件处理器。　　register _ handler。该方法调用事件多路分发器的register _ event方法来往事件多路分发器中注册一个事件。remove _ handler。该方法调用事件多路分发器的remove _ event方法来删除事件多路分发器中的一个事件。

 

 对应的框架组件图如下：

 

 

二 .Libevent工作流程

Libevent 的工作流程可以概括为以下几个步骤：

  1. 初始化：

    • 调用 event_base_new()（或旧版本的 event_init()）来创建和初始化一个 event_base 实例，这是 Libevent 的核心结构，它代表了一个事件循环。

  2. 创建事件：

    • 使用 event_new() 或 event_assign() 创建一个 event 实例，并设置其文件描述符、事件类型（如 EV_READ、EV_WRITE）、事件回调函数以及用户数据。

  3. 添加事件：

    • 调用 event_add() 将事件添加到 event_base 中，可以指定一个超时时间，这样事件会在指定的时间后被触发。

  4. 事件循环：

    • 调用 event_base_dispatch() 开始事件循环。这个函数会阻塞，直到至少有一个事件准备好。
    • 在内部，Libevent 会根据操作系统的支持选择合适的事件多路复用机制（如 epoll、select、kqueue）来等待事件。

  5. 事件处理：

    • 当事件准备好时，Libevent 会调用与之关联的回调函数。
    • 回调函数执行完毕后，Libevent 会继续监听其他事件。

  6. 修改或删除事件：

    • 可以通过 event_del() 从 event_base 中删除事件，或者通过 event_add() 修改事件的超时时间或重新添加事件。

  7. 清理：

    • 当不再需要事件循环时，可以调用 event_base_free() 来释放 event_base 实例，这将清理所有关联的资源。

在整个工作流程中，Libevent 提供了高效的事件管理机制，使得开发者可以专注于事件的处理，而无需关心底层的IO多路复用细节。此外，Libevent 还提供了缓冲事件（bufferevent）等高级接口，进一步简化了非阻塞IO的处理。

对应工作流程图：

 

三 . 一个简单实例展示流程

  

void signal _ cb( int fd, short event, void* argc )
  {
    struct event _ base* base = ( event _ base* ) argc;
    struct timeval delay = { 2, 0 };
    printf("Caught an interrupt signal; exiting cleanly in two seconds...n" ); 
    event _ base _ looperit( base, &delay );
  }

void timeout cb( int fd, short event, void* argc )
  {
    printf( "timeoutn" );
  }

int main()
  {    
    struct event _ base* base = event init();
    struct event* signal event= evsignal _ new( base, SIGINT, signal _ cb, base );
    event _ add( signal _ event, NULL );timeval tv = { 1, 0 };
    struct event* timeout _ event = ovtimer new( base, timeout _ cb, NULL );
    event _ add( timeout _ event, &tv);event _ base _ dispatch( base );
    event _ free( timeout _ event );event _ free( signal _ event );
    event _ base _ free( base );
  }

 代码清单12-1虽然简单，但却基本上描述了Libevent库的主要逻辑：

   1) 调用event _ init函数创建event _ base 对象。一个event _ base相当于一个Reactor实例。

   2)创建具体的事件处理器, 并设置它们所从属的Reactor实例。evsignal _ new和evtimer _ new 分别用于创建信号事件处理器和定时事件处理器,它们是定义在include/event2/event. h文件中的宏:

#define evsignal _ new(b, x, cb, arg)event _ new((b), (x), EV_SIGNAL|EV_PERSIST, (2b) (arg))#define evtimer _ new(b, cb, arg)  event _ new((b), -1, 0, (cb), (arg))

可见，它们的统一入口是event _new函数，即用于创建通用事件处理器(EventHandler) 的函数。其定义

是:

struct event* event _ new(struct event _ base* base, evutil _ socket _t fd; short events,void (*cb)(evutil _ socket _t, short, void* ), void* arg)

其中， base参数指定新创建的事件处理器从属的Reactor。fd参数指定与该事件处理器关联的句柄，创建I/O事件处理器时，应该给fd参数传递文件描述符值；创建信号事件处理器时，应该给fd参数传递信号值，比如代码清单中的 SIGINT；创建定时事件处理器时，则应该传入fd参数-1 ， events参数指定事件类型，其可选值如下：

#define EV_TIMEOUT  0x01  /*定时事件 */
#define EV_READ  0x02  /*可读事件 */
#define EV_WRITE  0x04  /*可写事件 */
#define EV_SIGNAL  0x08  /*信号事件 */
#define EV_PERSIST  0×10  /*永久事件 */
/*边沿触发事件,需要I/O复用系统调用支持,比如 epoll */
#define EV_ET  0x20

四 . Libevent源代码组织结构

Libevent的源代码组织结构可以按照其提供的功能和特性进行分类。以下是根据源代码目录和功能进行的分类总结：

  1. 核心事件循环：

    • event.c：实现事件循环的核心逻辑。
    • evmap.c：管理事件和文件描述符之间的映射。
    • minheap.c：提供最小堆数据结构，用于定时器管理。

  2. IO多路复用机制：

    • epoll.c：Linux上的epoll支持。
    • select.c：传统的select支持。
    • poll.c：poll支持。
    • kqueue.c：BSD系统上的kqueue支持。
    • devpoll.c：Solaris上的/dev/poll支持。
    • evport.c：Solaris事件端口支持。
    • iocp.c：Windows上的IOCP支持。

  3. 网络通信：

    • http.c：HTTP服务器和客户端的实现。
    • http_server.c：HTTP服务器的实现。
    • http_header.c：HTTP头的解析。
    • http_parser.c：HTTP请求/响应的解析。
    • evdns.c：DNS解析器。

  4. 缓冲区和数据管理：

    • buffer.c：基础缓冲区管理。
    • evbuffer.c：扩展的缓冲区管理。
    • bufferevent.c：缓冲事件，用于非阻塞IO。
    • bufferevent_async.c：缓冲事件异步支持。
    • bufferevent_filter.c：缓冲事件过滤器。
    • bufferevent_pair.c：缓冲事件对。
    • bufferevent_ratelim.c：缓冲事件速率限制。

  5. 线程和锁：

    • evthread.c：线程支持。
    • event_tagging.c：事件标签支持，用于无锁编程。

  6. 信号处理：

    • evsignal.c：信号处理。
    • signal.c：信号处理。

  7. 实用工具和辅助功能：

    • evutil.c：实用工具函数。
    • arc4random.c：随机数生成器。
    • strlcpy.c：字符串操作。
    • sys_socket.c：系统socket支持。
    • sys_event.c：系统事件支持。

  8. 定时器：

    • timer.c：定时器实现。
    • wristwatch.c：高精度定时器支持。

  9. 其他：

    • evrpc.c：RPC客户端/服务器实现。
    • htmlevents.c：HTML解析器。

这个分类总结展示了Libevent的模块化设计，每个模块负责一个特定的功能，使得Libevent易于扩展和维护。开发者可以根据需要选择和使用不同的模块来构建网络应用程序。

 对于I/O库，我们还需要进行优化：

Libevent 是一个高性能的事件通知库，但它也提供了多种选项和策略来帮助开发者进行性能调优。以下是一些可以用来优化 Libevent 性能的策略：

  1. 使用合适的 IO 多路复用机制：

    • 在 Linux 上，如果可能的话，使用 epoll 而不是 select 或 poll。epoll 通常提供更高的性能，尤其是在处理大量文件描述符时。
    • 在支持 kqueue 的系统上（如 macOS 和 FreeBSD），使用 kqueue 可以提供更好的性能。

  2. 使用边缘触发 (ET) 模式：

    • 默认情况下，Libevent 使用水平触发 (LT) 模式。如果你熟悉 ET 模式的工作方式，可以切换到 ET 模式，这可能会提供更高的性能，但需要更仔细地处理事件。

  3. 优化事件处理函数：

    • 确保 IO 事件的处理函数尽可能高效。避免在事件处理函数中进行阻塞操作或执行耗时较长的任务。
    • 如果需要在事件处理函数中执行耗时操作，考虑使用线程池或异步操作。

  4. 减少锁的使用：

    • 在多线程环境中，减少对共享资源的锁定时间可以提高性能。只在必要时使用锁，并尽量减少锁的粒度。

  5. 使用缓冲事件 (bufferevent)：

    • 使用 bufferevent 可以简化非阻塞 IO 的处理，因为它会自动处理数据的读取和写入，以及相关的 IO 事件。
    • bufferevent 可以减少对事件循环的干扰，因为它会在内部缓冲数据，直到有足够的数据可以处理或发送。

  6. 优化定时器使用：

    • 如果你的应用程序使用了大量的定时器，确保它们被高效地管理和使用。避免不必要的定时器添加和删除操作。

  7. 调整事件通知库的配置参数：

    • Libevent 允许你调整内部参数，如事件队列大小、超时时间等。根据应用程序的需求调整这些参数可能会提高性能。

  8. 使用最新版本的 Libevent：

    • 保持 Libevent 库的更新可以确保你获得最新的性能改进和 bug 修复。

  9. 监控和性能分析：

    • 使用性能分析工具来监控你的应用程序，找出瓶颈所在。这可以帮助你确定哪些部分最需要优化。

  10. 避免不必要的内存分配：

    • 减少 malloc 和 free 的调用次数，尽量重用内存。Libevent 提供了内存池功能，可以用来减少内存分配的开销。

通过这些策略，你可以优化使用 Libevent 的应用程序的性能。然而，性能调优通常需要根据具体的应用程序和运行环境来进行，因此最好结合具体情况进行调整。

 

最后，我给出GitHub中的源码仓库链接：https://github.com/libevent/libevent，大家需要看源码的可以自己下载学习哟！！！

      好啦！到这里这篇文章就结束啦，关于实例代码中我写了很多注释，如果大家还有不懂得，可以评论区或者私信我都可以哦！！ 感谢大家的阅读，我还会持续创造网络编程相关内容的，记得点点小爱心和关注哟！  

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