一、Memcached相关视频解析
epoll的网络模型，从redis，memcached到nginx，一起搞定
二、Memcached分析
1. 网络模型流程分析
Memcached主要是基于Libevent的事件库来实现网络线程模型的。我们先需要下载memcached的源码包，上面我们已经给出了源码包下载地址。
Memcached的网络线程模型主要涉及两个主要文件：memcached.c 和thread.c文件。
我们这边主要分析tcp的模型。memcached也支持udp。
流程
1、memcached首先在主线程中会创建main_base，memcached的主线程的主要工作就是监听和接收listen和accpet新进入的连接。
2、当memcached启动的时候会初始化N个worker thread工作线程，每个工作线程都会有自己的LIBEVENT_THREAD数据结构来存储线程的信息（线程基本信息、线程队列、pipe信息）。worker thread工作线程和main thread主线程之间主要通过pipe来进行通信。
3、当用户有连接进来的时候，main thread主线程会通过求余的方式选择一个worker thread工作线程。
4、main thread会将当前用户的连接信息放入一个CQ_ITEM，并且将CQ_ITEM放入这个线程的conn_queue处理队列，然后主线程会通过写入pipe的方式来通知worker thread工作线程。
5、当工作线程得到主线程main thread的通知后，就会去自己的conn_queue队列中取得一条连接信息进行处理，创建libevent的socket读写事件。
6、工作线程会监听用户的socket，如果用户有消息传递过来，则会进行消息解析和处理，返回相应的结果。
流程图
2. 网络模型数据结构
CQ_ITEM：主要用于存储用户socket连接的基本信息。
主线程会将用户的socket连接信息封装成CQ_ITEM，并放入工作线程的处理队列中。工作线程得到主线程的pipe通知后，就会将队列中的ITEM取出来，创建libevent的socket读事件。
/* An item in the connection queue. */
typedef struct conn_queue_item CQ_ITEM;
struct conn_queue_item {
int sfd; //socket的fd
enum conn_states init_state; //事件类型
int event_flags; //libevent的flags
int read_buffer_size; //读取的buffer的size
enum network_transport transport;
CQ_ITEM *next; //下一个item的地址
};CQ：每个线程的处理队列结构。
/* A connection queue. */
typedef struct conn_queue CQ;
struct conn_queue {
CQ_ITEM *head;
CQ_ITEM *tail;
pthread_mutex_t lock;
};LIBEVENT_THREAD：每个工作线程的数据结构。
每一个工作线程都有有这么一个自己的数据结构，主要存储线程信息、处理队列、pipe信息等。
typedef struct {
//线程ID
pthread_t thread_id; /* unique ID of this thread */
//线程的 event_base，每个线程都有自己的event_base
struct event_base *base; /* libevent handle this thread uses */
//异步event事件
struct event notify_event; /* listen event for notify pipe */
//管道接收端
int notify_receive_fd; /* receiving end of notify pipe */
//管道发送端
int notify_send_fd; /* sending end of notify pipe */
//线程状态
struct thread_stats stats; /* Stats generated by this thread */
//新连接队列结构
struct conn_queue *new_conn_queue; /* queue of new connections to handle */
cache_t *suffix_cache; /* suffix cache */
uint8_t item_lock_type; /* use fine-grained or global item lock */
} LIBEVENT_THREAD;【文章福利】需要C/C++ Linux服务器架构师学习资料加群812855908（资料包括C/C++，Linux，golang技术，Nginx，ZeroMQ，MySQL，Redis，fastdfs，MongoDB，ZK，流媒体，CDN，P2P，K8S，Docker，TCP/IP，协程，DPDK，ffmpeg等）
3. main启动入口
我们需要找到memcached.c中的main()方法。下面的代码中只列出了我们需要的重要部分。
int main (int argc, char **argv) { //...省去一部分代码 /* initialize main thread libevent instance */ //初始化一个event_base main_base = event_init(); /* initialize other stuff */ stats_init(); assoc_init(settings.hashpower_init); conn_init(); slabs_init(settings.maxbytes, settings.factor, preallocate); /* * ignore SIGPIPE signals; we can use errno == EPIPE if we * need that information */ if (sigignore(SIGPIPE) == -1) { perror("failed to ignore SIGPIPE; sigaction"); exit(EX_OSERR); } /* start up worker threads if MT mode */ //这边非常重要，这个方法主要用来创建工作线程，默认会创建4个工作线程 thread_init(settings.num_threads, main_base); if (start_assoc_maintenance_thread() == -1) { exit(EXIT_FAILURE); } if (settings.slab_reassign && start_slab_maintenance_thread() == -1) { exit(EXIT_FAILURE); } /* Run regardless of initializing it later */ init_lru_crawler(); /* initialise clock event */ clock_handler(0, 0, 0); /* create unix mode sockets after dropping privileges */ if (settings.socketpath != NULL) { errno = 0; if (server_socket_unix(settings.socketpath,settings.access)) { vperror("failed to listen on UNIX socket: %s", settings.socketpath); exit(EX_OSERR); } } /* create the listening socket, bind it, and init */ if (settings.socketpath == NULL) { const char *portnumber_filename = getenv("MEMCACHED_PORT_FILENAME"); char temp_portnumber_filename[PATH_MAX]; FILE *portnumber_file = NULL; if (portnumber_filename != NULL) { snprintf(temp_portnumber_filename, sizeof(temp_portnumber_filename), "%s.lck", portnumber_filename); portnumber_file = fopen(temp_portnumber_filename, "a"); if (portnumber_file == NULL) { fprintf(stderr, "Failed to open \"%s\": %s\n", temp_portnumber_filename, strerror(errno)); } } errno = 0; //这边的server_sockets方法主要是socket的bind、listen、accept等操作 //主线程主要用于接收客户端的socket连接，并且将连接交给工作线程接管。 if (settings.port && server_sockets(settings.port, tcp_transport, portnumber_file)) { vperror("failed to listen on TCP port %d", settings.port); exit(EX_OSERR); } } /* enter the event loop */ //这边开始进行主线程的事件循环 if (event_base_loop(main_base, 0) != 0) { retval = EXIT_FAILURE; } //...省去一部分代码}主线程中主要是通过thread_init方法去创建N个工作线程：
thread_init(settings.num_threads, main_base); 通过server_sockets方法去创建socket server：
errno = 0;
if (settings.port && server_sockets(settings.port, tcp_transport,
portnumber_file)) {
vperror("failed to listen on TCP port %d", settings.port);
exit(EX_OSERR);
}4. 工作线程worker thread
我们在thread.c文件中找到thread_init这个方法：
void thread_init(int nthreads, struct event_base *main_base) { //...省了一部分代码 //这边通过循环的方式创建nthreads个线程 //nthreads应该是可以设置的 for (i = 0; i < nthreads; i++) { int fds[2]; //这边会创建pipe，主要用于主线程和工作线程之间的通信 if (pipe(fds)) { perror("Can't create notify pipe"); exit(1); } //threads是工作线程的基本结构：LIBEVENT_THREAD //将pipe接收端和写入端都放到工作线程的结构体中 threads[i].notify_receive_fd = fds[0]; //接收端 threads[i].notify_send_fd = fds[1]; //写入端 //这个方法非常重要，主要是创建每个线程自己的libevent的event_base setup_thread(&threads[i]); /* Reserve three fds for the libevent base, and two for the pipe */ stats.reserved_fds += 5; } /* Create threads after we've done all the libevent setup. */ //这里是循环创建线程 //线程创建的回调函数是worker_libevent for (i = 0; i < nthreads; i++) { create_worker(worker_libevent, &threads[i]); } /* Wait for all the threads to set themselves up before returning. */ pthread_mutex_lock(&init_lock); wait_for_thread_registration(nthreads); pthread_mutex_unlock(&init_lock);}setup_thread方法：
/* * Set up a thread's information. */static void setup_thread(LIBEVENT_THREAD *me) { //创建一个event_base //根据libevent的使用文档，我们可以知道一般情况下每个独立的线程都应该有自己独立的event_base me->base = event_init(); if (! me->base) { fprintf(stderr, "Can't allocate event base\n"); exit(1); } /* Listen for notifications from other threads */ //这边非常重要，这边主要创建pipe的读事件EV_READ的监听 //当pipe中有写入事件的时候，libevent就会回调thread_libevent_process方法 event_set(&me->notify_event, me->notify_receive_fd, EV_READ | EV_PERSIST, thread_libevent_process, me); event_base_set(me->base, &me->notify_event); //添加事件操作 if (event_add(&me->notify_event, 0) == -1) { fprintf(stderr, "Can't monitor libevent notify pipe\n"); exit(1); } //初始化一个工作队列 me->new_conn_queue = malloc(sizeof(struct conn_queue)); if (me->new_conn_queue == NULL) { perror("Failed to allocate memory for connection queue"); exit(EXIT_FAILURE); } cq_init(me->new_conn_queue); //初始化线程锁 if (pthread_mutex_init(&me->stats.mutex, NULL) != 0) { perror("Failed to initialize mutex"); exit(EXIT_FAILURE); } me->suffix_cache = cache_create("suffix", SUFFIX_SIZE, sizeof(char*), NULL, NULL); if (me->suffix_cache == NULL) { fprintf(stderr, "Failed to create suffix cache\n"); exit(EXIT_FAILURE); }}create_worker方法：
/* * Creates a worker thread. *///这个方法是真正的创建工作线程static void create_worker(void *(*func)(void *), void *arg) { pthread_t thread; pthread_attr_t attr; int ret; pthread_attr_init(&attr); //这边真正的创建线程 if ((ret = pthread_create(&thread, &attr, func, arg)) != 0) { fprintf(stderr, "Can't create thread: %s\n", strerror(ret)); exit(1); }}worker_libevent方法：
/* * Worker thread: main event loop */static void *worker_libevent(void *arg) { LIBEVENT_THREAD *me = arg; /* Any per-thread setup can happen here; thread_init() will block until * all threads have finished initializing. */ /* set an indexable thread-specific memory item for the lock type. * this could be unnecessary if we pass the conn *c struct through * all item_lock calls... */ me->item_lock_type = ITEM_LOCK_GRANULAR; pthread_setspecific(item_lock_type_key, &me->item_lock_type); register_thread_initialized(); //这个方法主要是开启事件的循环 //每个线程中都会有自己独立的event_base和事件的循环机制 //memcache的每个工作线程都会独立处理自己接管的连接 event_base_loop(me->base, 0); return NULL;}thread_libevent_process方法：
static void thread_libevent_process(int fd, short which, void *arg) { LIBEVENT_THREAD *me = arg; CQ_ITEM *item; char buf[1]; //回调函数中回去读取pipe中的信息 //主线程中如果有新的连接，会向其中一个线程的pipe中写入1 //这边读取pipe中的数据，如果为1，则说明从pipe中获取的数据是正确的 if (read(fd, buf, 1) != 1) if (settings.verbose > 0) fprintf(stderr, "Can't read from libevent pipe\n"); switch (buf[0]) { case 'c': //从工作线程的队列中获取一个CQ_ITEM连接信息 item = cq_pop(me->new_conn_queue); //如果item不为空，则需要进行连接的接管 if (NULL != item) { //conn_new这个方法非常重要，主要是创建socket的读写等监听事件。 //init_state 为初始化的类型，主要在drive_machine中通过这个状态类判断处理类型 conn *c = conn_new(item->sfd, item->init_state, item->event_flags, item->read_buffer_size, item->transport, me->base); if (c == NULL) { if (IS_UDP(item->transport)) { fprintf(stderr, "Can't listen for events on UDP socket\n"); exit(1); } else { if (settings.verbose > 0) { fprintf(stderr, "Can't listen for events on fd %d\n", item->sfd); } close(item->sfd); } } else { c->thread = me; } cqi_free(item); } break; /* we were told to flip the lock type and report in */ case 'l': me->item_lock_type = ITEM_LOCK_GRANULAR; register_thread_initialized(); break; case 'g': me->item_lock_type = ITEM_LOCK_GLOBAL; register_thread_initialized(); break; }}conn_new方法（主要看两行）：
//我们发现这个方法中又在创建event了，这边实际上是监听socket的读写等事件
//主线程主要是监听用户的socket连接事件；工作线程主要监听socket的读写事件
//当用户socket的连接有数据传递过来的时候，就会调用event_handler这个回调函数
event_set(&c->event, sfd, event_flags, event_handler, (void *)c);
event_base_set(base, &c->event);
c->ev_flags = event_flags;
//将事件添加到libevent的loop循环中
if (event_add(&c->event, 0) == -1) {
perror("event_add");
return NULL;
}event_handler方法：
void event_handler(const int fd, const short which, void *arg) { conn *c; //组装conn结构 c = (conn *)arg; assert(c != NULL); c->which = which; /* sanity */ if (fd != c->sfd) { if (settings.verbose > 0) fprintf(stderr, "Catastrophic: event fd doesn't match conn fd!\n"); conn_close(c); return; } //最终转交给了drive_machine这个方法 //memcache的大部分的网络事件都是由drive_machine这个方法来处理的 //drive_machine这个方法主要通过c->state这个事件的类型来处理不同类型的事件 drive_machine(c); /* wait for next event */ return;}然后继续看最重要的，也是核心的处理事件的方法drive_machine（状态机），监听socket连接、监听socket的读写、断开连接等操作都是在drive_machine这个方法中实现的。而这些操作都是通过c->state这个状态来判断不同的操作类型。
static void drive_machine(conn *c) { //.................... assert(c != NULL); while (!stop) { //这边通过state来处理不同类型的事件 switch(c->state) { //这边主要处理tcp连接,只有在主线程的下，才会执行listening监听操作。 case conn_listening: addrlen = sizeof(addr);#ifdef HAVE_ACCEPT4 if (use_accept4) { sfd = accept4(c->sfd, (struct sockaddr *)&addr, &addrlen, SOCK_NONBLOCK); } else { sfd = accept(c->sfd, (struct sockaddr *)&addr, &addrlen); }#else sfd = accept(c->sfd, (struct sockaddr *)&addr, &addrlen);#endif //...................... if (settings.maxconns_fast && stats.curr_conns + stats.reserved_fds >= settings.maxconns - 1) { str = "ERROR Too many open connections\r\n"; res = write(sfd, str, strlen(str)); close(sfd); STATS_LOCK(); stats.rejected_conns++; STATS_UNLOCK(); } else { dispatch_conn_new(sfd, conn_new_cmd, EV_READ | EV_PERSIST, DATA_BUFFER_SIZE, tcp_transport); } stop = true; break; //连接等待 case conn_waiting: //......... break; //读取事件 //例如有用户提交数据过来的时候，工作线程监听到事件后，最终会调用这块代码 case conn_read: res = IS_UDP(c->transport) ? try_read_udp(c) : try_read_network(c); switch (res) { case READ_NO_DATA_RECEIVED: conn_set_state(c, conn_waiting); break; case READ_DATA_RECEIVED: conn_set_state(c, conn_parse_cmd); break; case READ_ERROR: conn_set_state(c, conn_closing); break; case READ_MEMORY_ERROR: /* Failed to allocate more memory */ /* State already set by try_read_network */ break; } break; case conn_parse_cmd : if (try_read_command(c) == 0) { /* wee need more data! */ conn_set_state(c, conn_waiting); } break; case conn_new_cmd: /* Only process nreqs at a time to avoid starving other connections */ --nreqs; if (nreqs >= 0) { reset_cmd_handler(c); } else { pthread_mutex_lock(&c->thread->stats.mutex); c->thread->stats.conn_yields++; pthread_mutex_unlock(&c->thread->stats.mutex); if (c->rbytes > 0) { /* We have already read in data into the input buffer, so libevent will most likely not signal read events on the socket (unless more data is available. As a hack we should just put in a request to write data, because that should be possible ;-) */ if (!update_event(c, EV_WRITE | EV_PERSIST)) { if (settings.verbose > 0) fprintf(stderr, "Couldn't update event\n"); conn_set_state(c, conn_closing); break; } } stop = true; } break; case conn_nread: //.................... break; case conn_swallow: //.................... break; case conn_write: //................. break; //连接关闭 case conn_closing: if (IS_UDP(c->transport)) conn_cleanup(c); else conn_close(c); stop = true; break; case conn_closed: /* This only happens if dormando is an idiot. */ abort(); break; case conn_max_state: assert(false); break; } } return;}5. 主线程main thread
主线程的socket server主要通过server_sockets这个方法创建。而server_sockets中主要调用了server_socket这个方法，我们可以看下server_socket这个方法：
/** * Create a socket and bind it to a specific port number * @param interface the interface to bind to * @param port the port number to bind to * @param transport the transport protocol (TCP / UDP) * @param portnumber_file A filepointer to write the port numbers to * when they are successfully added to the list of ports we * listen on. */static int server_socket(const char *interface, int port, enum network_transport transport, FILE *portnumber_file) { //创建一个新的事件 //我们发现上面的工作线程也是调用这个方法，但是区别是这个方法指定了state的类型为：conn_listening //注意这边有一个conn_listening，这个参数主要是指定调用drive_machine这个方法中的conn_listen代码块。 if (!(listen_conn_add = conn_new(sfd, conn_listening, EV_READ | EV_PERSIST, 1, transport, main_base))) { fprintf(stderr, "failed to create listening connection\n"); exit(EXIT_FAILURE); } listen_conn_add->next = listen_conn; listen_conn = listen_conn_add;}conn_new方法：
//我们发现这个方法中又在创建event了，这边实际上是监听socket的读写等事件
//主线程主要是监听用户的socket连接事件；工作线程主要监听socket的读写事件
//当用户socket的连接有数据传递过来的时候，就会调用event_handler这个回调函数
event_set(&c->event, sfd, event_flags, event_handler, (void *)c);
event_base_set(base, &c->event);
c->ev_flags = event_flags;
//将事件添加到libevent的loop循环中
if (event_add(&c->event, 0) == -1) {
perror("event_add");
return NULL;
}然后我们跟踪进入event_handler这个方法，并且进入drive_machine这个方法，我们上面说过server_socket这个方法中传递的state参数为默认写死的conn_listening这个状态，所以我们详细看drive_machine中关于conn_listening这块逻辑的代码。
case conn_listening:
addrlen = sizeof(addr);
#ifdef HAVE_ACCEPT4
//我们可以看到下面的代码是accept，接受客户端的socket连接的代码
if (use_accept4) {
sfd = accept4(c->sfd, (struct sockaddr *)&addr, &addrlen, SOCK_NONBLOCK);
} else {
sfd = accept(c->sfd, (struct sockaddr *)&addr, &addrlen);
}
#else
sfd = accept(c->sfd, (struct sockaddr *)&addr, &addrlen);
#endif
if (sfd == -1) {
if (use_accept4 && errno == ENOSYS) {
use_accept4 = 0;
continue;
}
perror(use_accept4 ? "accept4()" : "accept()");
if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) {
/* these are transient, so don't log anything */
stop = true;
} else if (errno == EMFILE) {
if (settings.verbose > 0)
fprintf(stderr, "Too many open connections\n");
accept_new_conns(false);
stop = true;
} else {
perror("accept()");
stop = true;
}
break;
}
if (!use_accept4) {
if (fcntl(sfd, F_SETFL, fcntl(sfd, F_GETFL) | O_NONBLOCK) < 0) {
perror("setting O_NONBLOCK");
close(sfd);
break;
}
}
if (settings.maxconns_fast &&
stats.curr_conns + stats.reserved_fds >= settings.maxconns - 1) {
str = "ERROR Too many open connections\r\n";
res = write(sfd, str, strlen(str));
close(sfd);
STATS_LOCK();
stats.rejected_conns++;
STATS_UNLOCK();
} else {
//如果客户端用socket连接上来，则会调用这个分发逻辑的函数
//这个函数会将连接信息分发到某一个工作线程中，然后工作线程接管具体的读写操作
dispatch_conn_new(sfd, conn_new_cmd, EV_READ | EV_PERSIST,
DATA_BUFFER_SIZE, tcp_transport);
}
stop = true;
break;dispatch_conn_new方法：
/*
* Dispatches a new connection to another thread. This is only ever called
* from the main thread, either during initialization (for UDP) or because
* of an incoming connection.
*/
void dispatch_conn_new(int sfd, enum conn_states init_state, int event_flags,
int read_buffer_size, enum network_transport transport) {
//每个连接连上来的时候，都会申请一块CQ_ITEM的内存块，用于存储连接的基本信息
CQ_ITEM *item = cqi_new();
char buf[1];
//如果item创建失败，则关闭连接
if (item == NULL) {
close(sfd);
/* given that malloc failed this may also fail, but let's try */
fprintf(stderr, "Failed to allocate memory for connection object\n");
return ;
}
//这个方法非常重要。主要是通过求余数的方法来得到当前的连接需要哪个线程来接管
//而且last_thread会记录每次最后一次使用的工作线程，每次记录之后就可以让工作线程进入一个轮询，保证了每个工作线程处理的连接数的平衡
int tid = (last_thread + 1) % settings.num_threads;
//获取线程的基本结构
LIBEVENT_THREAD *thread = threads + tid;
last_thread = tid;
item->sfd = sfd;
item->init_state = init_state;
item->event_flags = event_flags;
item->read_buffer_size = read_buffer_size;
item->transport = transport;
//向工作线程的队列中放入CQ_ITEM
cq_push(thread->new_conn_queue, item);
MEMCACHED_CONN_DISPATCH(sfd, thread->thread_id);
buf[0] = 'c';
//向工作线程的pipe中写入1
//工作线程监听到pipe中有写入数据，工作线程接收到通知后，就会向thread->new_conn_queue队列中pop出一个item，然后进行连接的接管操作
if (write(thread->notify_send_fd, buf, 1) != 1) {
perror("Writing to thread notify pipe");
}
}