网络编程：信号、定时器、Libevent

1. 信号

（1）信号：由用户、系统或进程发送给目标进程的信息，以通知目标进程某个状态的改变或系统异常；

可由下述条件产生：

• 对前台进程，用户可以通过终端给它发送信号，如输入 Ctrl+C
• 系统异常，如浮点异常等
• 系统状态变化，如定时器到期
• 运行 kill 命令或调用 kill 函数

1.1 信号概述

1.1.1 发送信号

一个进程给其他进程发送信号

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
// 成功返回 0，失败返回 -1 并设置 errno
int kill( pid_t pid, int sig );

目标进程由 pid 指定

pid取值	含义
pid > 0	信号发送给 PID 为 pid 的进程
pid = 0	信号发送给本进程组内的其他进程
pid = -1	发给除 init 进程外的所有进程，发送者需要拥有对目标进程发送信号的权限
pid < -1	发给 PGID 为 -pid 的进程组的所有成员

信号值 sig 为 0，不发送任何信号（检测目标进程或进程组是否存在，这种检测方式不可靠）；

errno 为 EINVAL 表示无效的信号；EPERM 该进程没有权限给目标进程发送信号；ESRCH 目标进程或进程组不存在；

1.1.2 信号处理函数

#include <signal.h>
typedef void (*__sighandler_t) ( int );

参数用来指示信号的类型，必须保证是可重入的；

#include <bits/signum.h>
#define SIG_DFL ((__sighandler_t) 0)
#define SIG_IGN ((__sighandler_t) 1)

SIG_IGN 表示忽略目标信号，SIG_DFL 表示使用信号默认处理方式，例如结束进程（Term）、忽略信号（Ign）、结束进程并生成核心转储文件（Corn）、暂停进程（Stop）、继续进程（Cont）；

1.1.3 Linux 信号

信号	默认行为	含义
SIGHUP	Term	控制终端挂起
SIGPIPE	Term	往读端被关闭的管道或 socket 连接中写数据
SIGURG	Ign	socket 连接上接收到紧急数据
SIGALRM	Term	由 alarm 或 setitimer 设置的实时闹钟超时引起
SIGCHLD	Ign	子进程状态发送变化（退出或暂停）

1.1.4 中断系统调用

处于阻塞状态的系统调用接收到信号，并且为该信号设置了信号处理函数，默认情况下系统调用将被中断，其返回的 errno 为 EINTR；

可以使用 sigaction 为信号设置 SA_RESTART 标志以重新启动被该信号中断的系统调用；

Linux 独有：对默认行为是 Stop 的信号，没有设置信号处理函数，也可以中断某些系统调用（如 connect、epoll_wait）

1.2 信号函数

1.2.1 signal系统调用

为信号设置处理函数；

#include <signal.h>
_sighandler_t signal ( int sig, _sighandler_t _handler );

成功时返回一个函数指针，指向前一次该信号处理函数的函数指针（可能是默认处理函数指针 SIG_DEF 也可能是上一次调用 signal 函数传入的函数指针）

出错时返回 SIG_ERR，设置 errno；

struct sigaction
{
	union
	{
		_sighandler_t sa_handler;
		void (*sa_sigaction) ( int, siginfo_t*, void* );
	} _sigaction_handler;

	_sigset_t sa_mask;
	int sa_flags;
	void (*sa_restorer) (void);
};

sa_handler 指定信号处理函数；sa_mask 设置进程的信号掩码；
sa_flags 设置程序收到信号时的行为；

选项	含义
SA_RESTART	重新调用被该信号终止的系统调用

1.2.2 sigaction 系统调用

更健壮的设置信号处理函数

// 成功时返回 0，失败返回 -1 设置 errno
int sigaction ( int sig, const struct sigaction* act, struct sigaction* oact );

act 指定新的信号处理方式，oact 输出先前的处理方式；

1.3 信号集

sigset_t 是一个长整型数组，每一位代表一个信号，共 1024 位；

1.4 网络编程相关信号

1.4.1 SIGHUP

1.4.2 SIGHUP

1.4.3 SIGURG

（1）select异常事件检测带外数据
（2）SIGURG 信号；

2. 定时器

alarm 系统调用一次只会引起一次 SIGALRM 信号；

2.1 socket 选项 SO_RCVTIMEO 和 SO_SNDTIMEO

分别用来设置 socket 接收数据 / 发送数据超时时间，数据类型为 timeval（和 select 超时参数相同）；

2.2 SIGALRM 信号

2.2.1 基于升序链表的定时器

定时器通常包含至少两个成员：超时时间和任务回调函数；

按照超时时间做升序排序链表；

2.2.2 处理非活动连接

管理所有长时间处于非活动状态的连接

通过alarm每隔一段时间，发送 SIGALRM 信号；
有新的连接到来时，会在 connfd 上设置定时器； 每当 connfd 上有数据可读时，会重置其定时器；
超时处理函数中会检测在升序链表中是否有定时器超时，若有，则删除其 fd 上的注册事件并关闭 fd；

2.3 IO 复用系统调用的超时参数

IO 复用系统调用都可以设置超时参数，但可能会被就绪事件触发提前返回，因此需要不断更新定时参数以反馈剩余时间；

在系统调用执行前后记录当前时间，从而获得执行该系统调用的时间；

2.4 高性能定时器

2.4.1 时间轮

循环队列 + 哈希思想（类似手表），将循环队列划分为 N 个槽，槽之间的时间间隔为 SI；

插入定时器时，插入到每个 Slot 头部；

每过 SI 时间，调用 tick()，判断当前 Slot 是否有到期的定时器，并向前走一个 Slot；

2.4.2 时间堆

用最小堆实现

将堆顶定时器的超时值作为定时间隔，一旦 tick 被调用，堆顶定时器必然到期，再从剩余的定时器中找到超时时间最小的一个，并将这段时间间隔作为下一次的定时间隔；

3. 高性能 IO 框架库

3.1 概述

（1）句柄与事件绑定，内核通过句柄向应用程序通知事件就绪；

在 Linux 下，IO事件对应的句柄就是文件描述符，信号事件对应的句柄就是信号值；定时器事件对应固定值；

（2）事件多路分发器；统一各系统的 IO 复用系统调用；

（3）事件处理器；实现业务逻辑；与句柄绑定；

（4）Reactor；

• handle_events；执行事件循环，重复过程：等待事件，依次调用就绪事件对应的事件处理器；
• register_handler；往事件多路分发器中注册事件；
• remove_handler；删除事件多路分发器中的事件；

3.2 libevent 源码分析

event 是一个事件处理器；

（1）event_base ：相当于一个 Reactor 实例；

base->evsel 表示选择的 IO 复用机制，即 select、epoll等；

（2）event_new ：创建事件处理器；参数为关联的 base、事件对应句柄、事件类型、具体处理函数；称为 initialized；

（3）event_add ：内部调用 event_queue_insert，将事件处理器加入到各种事件队列中，根据 ev->ev_flags 进行区分；称为 pending；

（4）event_base_dispatch / event_base_loop：执行事件循环，遍历 event_base 上注册的事件直到有事件就绪，将就绪事件加入 active 事件队列中（按优先级划分的相应队列），调用相应的事件处理器；