线程模型简介

学习bRPC线程模型。

常见线程模型

连接独占线程或进程

在这个模型中,线程/进程处理来自绑定连接的消息,在连接断开前不退也不做其他事情。当连接数逐渐增多时,线程/进程占用的资源和上下文切换成本会越来越大,性能很差,这就是C10K问题的来源。这种方法常见于早期的web server,现在很少使用。

单线程reactor

libevent, libev等event-loop库为典型。这个模型一般由一个event dispatcher等待各类事件,待事件发生后原地调用对应的event handler,全部调用完后等待更多事件,故为"loop"。这个模型的实质是把多段逻辑按事件触发顺序交织在一个系统线程中。一个event-loop只能使用一个核,故此类程序要么是IO-bound,要么是每个handler有确定的较短的运行时间(比如http server),否则一个耗时漫长的回调就会卡住整个程序,产生高延时。在实践中这类程序不适合多开发者参与,一个人写了阻塞代码可能就会拖慢其他代码的响应。由于event handler不会同时运行,不太会产生复杂的race condition,一些代码不需要锁。此类程序主要靠使用更多线程或部署更多进程增加扩展性。

单线程reactor的运行方式及问题如下图所示:

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N:1线程库

又称为Fiber,以GNU Pth, StateThreads等为典型,一般是把N个用户线程映射入一个系统线程。同时只运行一个用户线程,调用阻塞函数时才会切换至其他用户线程。N:1线程库与单线程reactor在能力上等价,但事件回调被替换为了上下文(栈,寄存器,signals),运行回调变成了跳转至上下文。和event loop库一样,单个N:1线程库无法充分发挥多核性能,只适合一些特定的程序。只有一个系统线程对CPU cache较为友好,加上舍弃对signal mask的支持的话,用户线程间的上下文切换可以很快(100~200ns)。N:1线程库的性能一般和event loop库差不多,扩展性也主要靠多线程或多进程。

多线程reactor

boost::asio为典型。一般由一个或多个线程分别运行event dispatcher,待事件发生后把event handler交给一个worker线程执行。 这个模型是单线程reactor的自然扩展,可以利用多核。由于共用地址空间使得线程间交互变得廉价,worker thread间一般会更及时地均衡负载,而多进程一般依赖更前端的服务来分割流量,一个设计良好的多线程reactor程序往往能比同一台机器上的多个单线程reactor进程更均匀地使用不同核心。不过由于cache一致性的限制,多线程reactor并不能获得线性于核心数的性能,在特定的场景中,粗糙的多线程reactor实现跑在24核上甚至没有精致的单线程reactor实现跑在1个核上快。由于多线程reactor包含多个worker线程,单个event handler阻塞未必会延缓其他handler,所以event handler未必得非阻塞,除非所有的worker线程都被阻塞才会影响到整体进展。事实上,大部分RPC框架都使用了这个模型,且回调中常有阻塞部分,比如同步等待访问下游的RPC返回。

多线程reactor的运行方式及问题如下:

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M:N线程库

即把M个用户线程映射入N个系统线程。M:N线程库可以决定一段代码何时开始在哪运行,并何时结束,相比多线程reactor在调度上具备更多的灵活度。但实现全功能的M:N线程库是困难的,它一直是个活跃的研究话题。我们这里说的M:N线程库特别针对编写网络服务,在这一前提下一些需求可以简化,比如没有时间片抢占,没有(完备的)优先级等。M:N线程库可以在用户态也可以在内核中实现,用户态的实现以新语言为主,比如GHC threads和goroutine,这些语言可以围绕线程库设计全新的关键字并拦截所有相关的API。而在现有语言中的实现往往得修改内核,比如Windows UMS和google SwitchTo(虽然是1:1,但基于它可以实现M:N的效果)。相比N:1线程库,M:N线程库在使用上更类似于系统线程,需要用锁或消息传递保证代码的线程安全。

问题

多核扩展性

理论上代码都写成事件驱动型能最大化reactor模型的能力,但实际由于编码难度和可维护性,用户的使用方式大都是混合的:回调中往往会发起同步操作,阻塞住worker线程使其无法处理其他请求。一个请求往往要经过几十个服务,线程把大量时间花在了等待下游请求上,用户得开几百个线程以维持足够的吞吐,这造成了高强度的调度开销,并降低了TLS相关代码的效率。任务的分发大都是使用全局mutex + condition保护的队列,当所有线程都在争抢时,效率显然好不到哪去。更好的办法也许是使用更多的任务队列,并调整调度算法以减少全局竞争。比如每个系统线程有独立的runqueue,由一个或多个scheduler把用户线程分发到不同的runqueue,每个系统线程优先运行自己runqueue中的用户线程,然后再考虑其他线程的runqueue。这当然更复杂,但比全局mutex + condition有更好的扩展性。这种结构也更容易支持NUMA。

当event dispatcher把任务递给worker线程时,用户逻辑很可能从一个核心跳到另一个核心,并等待相应的cacheline同步过来,并不很快。如果worker的逻辑能直接运行于event dispatcher所在的核心上就好了,因为大部分时候尽快运行worker的优先级高于获取新事件。类似的是收到response后最好在当前核心唤醒正在同步等待RPC的线程。

异步编程

异步编程中的流程控制对于专家也充满了陷阱。任何挂起操作,如sleep一会儿或等待某事完成,都意味着用户需要显式地保存状态,并在回调函数中恢复状态。异步代码往往得写成状态机的形式。当挂起较少时,这有点麻烦,但还是可把握的。问题在于一旦挂起发生在条件判断、循环、子函数中,写出这样的状态机并能被很多人理解和维护,几乎是不可能的,而这在分布式系统中又很常见,因为一个节点往往要与多个节点同时交互。另外如果唤醒可由多种事件触发(比如fd有数据或超时了),挂起和恢复的过程容易出现race condition,对多线程编码能力要求很高。语法糖(比如lambda)可以让编码不那么“麻烦”,但无法降低难度。

共享指针在异步编程中很普遍,这看似方便,但也使内存的ownership变得难以捉摸,如果内存泄漏了,很难定位哪里没有释放;如果segment fault了,也不知道哪里多释放了一下。大量使用引用计数的用户代码很难控制代码质量,容易长期在内存问题上耗费时间。如果引用计数还需要手动维护,保持质量就更难了,维护者也不会愿意改进。没有上下文会使得RAII无法充分发挥作用, 有时需要在callback之外lock,callback之内unlock,实践中很容易出错。


修改于 2022年11月15日: Update index.md (5373e25)