多线程服务器的常用编程模型

多线程服务器的常用编程模型2011-05-06 博客园陈硕本文主要讲我个人在多线程开发方面的一些粗浅经验。总结了一两种常用的线程模型，归纳了进程间通讯与线程同步的最佳实践，以期用简单规范的方式开发多线程程序。

文中的“多线程服务器”是指运行在 Linux 操作系统上的独占式网络应用程序。硬件平台为 Intel x64 系列的多核 CPU，单路或双路 SMP 服务器（每台机器一共拥有四个核或八个核，十几 GB 内存），机器之间用百兆或千兆以太网连接。这大概是目前民用 PC 服务器的主流配置。

本文不涉及 Windows 系统，不涉及人机交互界面（无论命令行或图形）；不考虑文件读写（往磁盘写 log 除外），不考虑数据库操作，不考虑 Web 应用；不考虑低端的单核主机或嵌入式系统，不考虑手持式设备，不考虑专门的网络设备，不考虑高端的 >=32 核 Unix 主机；只考虑 TCP，不考虑 UDP，也不考虑除了局域网络之外的其他数据收发方式（例如串并口、USB口、数据采集板卡、实时控制等）。

有了以上这么多限制，那么我将要谈的“网络应用程序”的基本功能可以归纳为“收到数据，算一算，再发出去”。在这个简化了的模型里，似乎看不出用多线程的必要，单线程应该也能做得很好。“为什么需要写多线程程序”这个问题容易引发口水战，我放到另一篇博客里讨论。请允许我先假定“多线程编程”这一背景。

“服务器”这个词有时指程序，有时指进程，有时指硬件（无论虚拟的或真实的），请注意按上下文区分。另外，本文不考虑虚拟化的场景，当我说“两个进程不在同一台机器上 ”，指的是逻辑上不在同一个操作系统里运行，虽然物理上可能位于同一机器虚拟出来的两台“虚拟机”上。

本文假定读者已经有多线程编程的知识与经验，这不是一篇入门教程。

本文承蒙 Milo Yip 先生审读，在此深表谢意。当然，文中任何错误责任均在我。

1 进程与线程

“进程/process”是操作里最重要的两个概念之一（另一个是文件），粗略地讲，一个进程是“内存中正在运行的程序”。本文的进程指的是 Linux 操作系统通过 fork（）系统调用产生的那个东西，或者 Windows 下 CreateProcess（）的产物，不是 Erlang 里的那种轻量级进程。

每个进程有自己独立的地址空间（address space），“在同一个进程”还是“不在同一个进程”是系统功能划分的重要决策点。Erlang 书把“进程”比喻为“人”，我觉得十分精当，为我们提供了一个思考的框架。

每个人有自己的记忆（memory），人与人通过谈话（消息传递）来交流，谈话既可以是面谈（同一台服务器），也可以在电话里谈（不同的服务器，有网络通信）。面谈和电话谈的区别在于，面谈可以立即知道对方死否死了（crash, SIGCHLD），而电话谈只能通过周期性的心跳来判断对方是否还活着。

有了这些比喻，设计分布式系统时可以采取“角色扮演”，团队里的几个人各自扮演一个进程，人的角色由进程的代码决定（管登陆的、管消息分发的、管买卖的等等）。每个人有自己的记忆，但不知道别人的记忆，要想知道别人的看法，只能通过交谈。（暂不考虑共享内存这种 IPC。）然后就可以思考容错（万一有人突然死了）、扩容（新人中途加进来）、负载均衡（把 a 的活儿挪給 b 做）、退休（a 要修复 bug，先别给他派新活儿，等他做完手上的事情就把他重启）等等各种场景，十分便利。

“线程”这个概念大概是在 1993 年以后才慢慢流行起来的，距今不过十余年，比不得有 40 年光辉历史的 Unix 操作系统。线程的出现给 Unix 添了不少乱，很多 C 库函数（strtok（）, ctime（））不是线程安全的，需要重新定义；signal 的语意也大为复杂化。据我所知，最早支持多线程编程的（民用）操作系统是 Solaris 2.2 和 Windows NT 3.1，它们均发布于 1993 年。随后在 1995 年，POSIX threads 标准确立。

线程的特点是共享地址空间，从而可以高效地共享数据。一台机器上的多个进程能高效地共享代码段（操作系统可以映射为同样的物理内存），但不能共享数据。如果多个进程大量共享内存，等于是把多进程程序当成多线程来写，掩耳盗铃。

“多线程”的价值，我认为是为了更好地发挥对称多路处理（SMP）的效能。在 SMP 之前，多线程没有多大价值。Alan Cox 说过 A computer is a state machine. Threads are for people who can"t program state machines. （计算机是一台状态机。线程是给那些不能编写状态机程序的人准备的。）如果只有一个执行单元，一个 CPU，那么确实如 Alan Cox 所说，按状态机的思路去写程序是最高效的，这正好也是下一节展示的编程模型。