libco是怎樣支撐巨大數(shù)據(jù)信息量的

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ibco是微信后臺大規(guī)模使用的c/c++協(xié)程庫，2013年至今穩(wěn)定運行在微信后臺的數(shù)萬臺機器上。libco在2013年的時候作為騰訊六大開源項目首次開源，我們最近做了一次較大的更新，同步更新在github.com/tencent/libco 上。libco支持后臺敏捷的同步風格編程模式，同時提供系統(tǒng)的高并發(fā)能力。

　　libco支持的特性

　　無需侵入業(yè)務邏輯，把多進程、多線程服務改造成協(xié)程服務，并發(fā)能力得到百倍提升;

　　支持CGI框架，輕松構建web服務(New);

　　支持gethostbyname、mysqlclient、ssl等常用第三庫(New);

　　可選的共享棧模式，單機輕松接入千萬連接(New);

　　完善簡潔的協(xié)程編程接口

　　– 類pthread接口設計，通過co_create、co_resume等簡單清晰接口即可完成協(xié)程的創(chuàng)建與恢復; – 類thread的協(xié)程私有變量、協(xié)程間通信的協(xié)程信號量co_signal (New); – 非語言級別的lambda實現(xiàn)，結合協(xié)程原地編寫并執(zhí)行后臺異步任務 (New); – 基于epoll/kqueue實現(xiàn)的小而輕的網(wǎng)絡框架，基于時間輪盤實現(xiàn)的高性能定時器;

　　libco產(chǎn)生的背景

　　早期微信后臺因為業(yè)務需求復雜多變、產(chǎn)品要求快速迭代等需求，大部分模塊都采用了半同步半異步模型。接入層為異步模型，業(yè)務邏輯層則是同步的多進程或多線程模型，業(yè)務邏輯的并發(fā)能力只有幾十到幾百。隨著微信業(yè)務的增長，系統(tǒng)規(guī)模變得越來越龐大，每個模塊很容易受到后端服務/網(wǎng)絡抖動的影響。

　　異步化改造的選擇

　　為了提升微信后臺的并發(fā)能力，一般的做法是把現(xiàn)網(wǎng)的所有服務改成異步模型。這種做法工程量巨大，從框架到業(yè)務邏輯代碼均需要做一次徹底的改造，耗時耗力而且風險巨大。于是我們開始考慮使用協(xié)程。

　　但使用協(xié)程會面臨以下挑戰(zhàn)：

　　業(yè)界協(xié)程在c/c++環(huán)境下沒有大規(guī)模應用的經(jīng)驗;

　　如何控制協(xié)程調(diào)度;

　　如何處理同步風格的API調(diào)用，如Socket、mysqlclient等;

　　如何處理已有全局變量、線程私有變量的使用;

　　最終我們通過libco解決了上述的所有問題，實現(xiàn)了對業(yè)務邏輯非侵入的異步化改造。我們使用libco對微信后臺上百個模塊進行了協(xié)程異步化改造，改造過程中業(yè)務邏輯代碼基本無修改。至今，微信后臺絕大部分服務都已是多進程或多線程協(xié)程模型，并發(fā)能力相比之前有了質的提升，而libco也成為了微信后臺框架的基石。

　　libco框架

　　libco在框架分為三層，分別是接口層、系統(tǒng)函數(shù)Hook層以及事件驅動層。

　　同步風格API的處理

　　對于同步風格的API，主要是同步的網(wǎng)絡調(diào)用，libco的首要任務是消除這些等待對資源的占用，提高系統(tǒng)的并發(fā)性能。一個常規(guī)的網(wǎng)絡后臺服務，我們可能會經(jīng)歷connect、write、read等步驟，完成一次完整的網(wǎng)絡交互。當同步的調(diào)用這些API的時候，整個線程會因為等待網(wǎng)絡交互而掛起。

　　雖然同步編程風格的并發(fā)性能并不好，但是它具有代碼邏輯清晰、易于編寫的優(yōu)點，并可支持業(yè)務快速迭代敏捷開發(fā)。為了繼續(xù)保持同步編程的優(yōu)點，并且不需修改線上已有的業(yè)務邏輯代碼，libco創(chuàng)新地接管了網(wǎng)絡調(diào)用接口(Hook)，把協(xié)程的讓出與恢復作為異步網(wǎng)絡IO中的一次事件注冊與回調(diào)。當業(yè)務處理遇到同步網(wǎng)絡請求的時候，libco層會把本次網(wǎng)絡請求注冊為異步事件，本協(xié)程讓出CPU占用，CPU交給其它協(xié)程執(zhí)行。libco會在網(wǎng)絡事件發(fā)生或者超時的時候，自動的恢復協(xié)程執(zhí)行。

　　大部分同步風格的API我們都通過Hook的方法來接管了，libco會在恰當?shù)臅r機調(diào)度協(xié)程恢復執(zhí)行。

　　千萬級協(xié)程支持
　　libco默認是每一個協(xié)程獨享一個運行棧，在協(xié)程創(chuàng)建的時候，從堆內(nèi)存分配一個固定大小的內(nèi)存作為該協(xié)程的運行棧。如果我們用一個協(xié)程處理前端的一個接入連接，那對于一個海量接入服務來說，我們的服務的并發(fā)上限就很容易受限于內(nèi)存。為此，libco也提供了stackless的協(xié)程共享棧模式，可以設置若干個協(xié)程共享同一個運行棧。同一個共享棧下的協(xié)程間切換的時候，需要把當前的運行棧內(nèi)容拷貝到協(xié)程的私有內(nèi)存中。為了減少這種內(nèi)存拷貝次數(shù)，共享棧的內(nèi)存拷貝只發(fā)生在不同協(xié)程間的切換。當共享棧的占用者一直沒有改變的時候，則不需要拷貝運行棧。

　　libco協(xié)程的共享協(xié)程棧模式使得單機很容易接入千萬連接，只需創(chuàng)建足夠多的協(xié)程即可。我們通過libco共享棧模式創(chuàng)建1千萬的協(xié)程(E5-2670 v3 @ 2.30GHz * 2, 128G內(nèi)存)，每10萬個協(xié)程共享的使用128k內(nèi)存，整個穩(wěn)定echo服務的時候總內(nèi)存消耗大概為66G。
　　協(xié)程私有變量
　　多進程程序改造為多線程程序時候，我們可以用thread來對全局變量進行快速修改，而在協(xié)程環(huán)境下，我們創(chuàng)造了協(xié)程變量ROUTINE_VAR，極大簡化了協(xié)程的改造工作量。
　　因為協(xié)程實質上是線程內(nèi)串行執(zhí)行的，所以當我們定義了一個線程私有變量的時候，可能會有重入的問題。比如我們定義了一個thread的線程私有變量，原本是希望每一個執(zhí)行邏輯獨享這個變量的。但當我們的執(zhí)行環(huán)境遷移到協(xié)程了之后，同一個線程私有變量，可能會有多個協(xié)程會操作它，這就導致了變量沖入的問題。為此，我們在做libco異步化改造的時候，把大部分的線程私有變量改成了協(xié)程級私有變量。協(xié)程私有變量具有這樣的特性：當代碼運行在多線程非協(xié)程環(huán)境下時，該變量是線程私有的;當代碼運行在協(xié)程環(huán)境的時候，此變量是協(xié)程私有的。底層的協(xié)程私有變量會自動完成運行環(huán)境的判斷并正確返回所需的值。
　　協(xié)程私有變量對于現(xiàn)有環(huán)境同步到異步化改造起了舉足輕重的作用，同時我們定義了一個非常簡單方便的方法定義協(xié)程私有變量，簡單到只需一行聲明代碼即可。
　　gethostbyname的Hook方法
　　對于現(xiàn)網(wǎng)服務，有可能需要通過系統(tǒng)的gethostbyname API接口去查詢DNS獲取真實地址。我們在協(xié)程化改造的時候，發(fā)現(xiàn)我們hook的socket族函數(shù)對gethostbyname不適用，當一個協(xié)程調(diào)用了gethostbyname時會同步等待結果，這就導致了同線程內(nèi)的其它協(xié)程被延時執(zhí)行。我們對glibc的gethostbyname源碼進行了研究，發(fā)現(xiàn)hook不生效主要是由于glibc內(nèi)部是定義了poll方法來等待事件，而不是通用的poll方法;同時glibc還定義了一個線程私有變量，不同協(xié)程的切換可能會重入導致數(shù)據(jù)不準確。最終gethostbyname協(xié)程異步化是通過Hook poll方法以及定義協(xié)程私有變量解決的。
　　gethostbyname是glibc提供的同步查詢dns接口，業(yè)界還有很多優(yōu)秀的gethostbyname的異步化解決方案，但是這些實現(xiàn)都需要引入一個第三方庫并且要求底層提供異步回調(diào)通知機制。libco通過hook方法，在不修改glibc源碼的前提下實現(xiàn)了的gethostbyname的異步化。
　　協(xié)程信號量
　　在多線程環(huán)境下，我們會有線程間同步的需求，比如一個線程的執(zhí)行需要等待另一個線程的信號，對于這種需求，我們通常是使用pthread_signal 來解決的。在libco中，我們定義了協(xié)程信號量co_signal用于處理協(xié)程間的并發(fā)需求，一個協(xié)程可以通過co_cond_signal與co_cond_broadcast來決定通知一個等待的協(xié)程或者喚醒所有等待協(xié)程。
　　總結
　　libco是一個高效的c/c++協(xié)程庫，提供了完善的協(xié)程編程接口、常用的Socket族函數(shù)Hook等，使得業(yè)務可用同步編程模型快速迭代開發(fā)。隨著幾年來的穩(wěn)定運行，libco作為微信后臺框架的基石發(fā)揮了舉足輕重的作用。

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