在Linux網(wǎng)絡(luò)編程中，信號處理和定時器是經(jīng)常遇到的功能，在聊這塊內(nèi)容之前如果您看過上一篇文章《Linux高性能網(wǎng)絡(luò)編程十談|IO復(fù)用和模式》，應(yīng)該比較完整的了解epoll了，但是這里還遺漏了一個知識點，那開始先補上這個坑。

關(guān)于epoll驚群問題，什么是驚群呢?

比如我們在寫代碼過程中，使用兩個線程的epoll監(jiān)聽socket，當socket上有事件發(fā)生時，兩個epoll都會被喚醒，導(dǎo)致會操作同一個socket，這就是驚群，那如何解決呢?

(1)使用EPOLLEXCLUSIVE：EPOLLEXCLUSIVE是epoll的擴展選項，它允許一個線程獨占一個epoll實例，從而避免了epoll的驚群問題;

(2)使用EPOLLONESHOT：對于注冊了EPOLLONESHOT事件的文件描述符，操作系統(tǒng)最多觸發(fā)一個可讀，可寫或者異常事件，且觸發(fā)一次，這樣就能確保一個線程獲取事件并處理，但是需要注意的是對于監(jiān)聽類型(如accept)不能使用EPOLLONESHOT，否則就不能持續(xù)監(jiān)聽連接，對于處理完了的非監(jiān)聽事件，需要重置EPOLLONESHOT;

第一部分：信號

1、發(fā)送信號給進程

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>

int kill(pid_t pid, int sig);

(1)pid的取值和含義如下：

(2)sig的取值和含義如下(在linux命令行使用kill -l查看取值，這里列幾個經(jīng)常使用的)：

2、信號回調(diào)函數(shù)

#include <signal.h>

typedef void (&__sighandler_t) (int);

__sighandler_t signal(int sig, __sighandler_t _handler);

int sigaction(int sig, const struct sigaction *act, struct sigaction *oact);

(1)__sighandler_t信號處理的函數(shù)指針，其中處理參數(shù)為觸發(fā)信號當前值，其中有兩個默認宏(SIG_DFL：使用信號默認處理，SIG_IGN：忽略目標信號);

(2)signal注冊信號回調(diào)處理函數(shù)，返回值為一個函數(shù)指針，含義是這個信號上一次處理的回調(diào)函數(shù)或者是系統(tǒng)默認的處理函數(shù)，這里目的是讓用戶可以自己恢復(fù)信號處理方式，比如系統(tǒng)對于一些信號是殺掉進程的，這里就應(yīng)該處理完自己的回調(diào)邏輯后再調(diào)用系統(tǒng)默認行為;

(3)sigaction函數(shù)的功能是檢查或修改與指定信號相關(guān)聯(lián)的處理動作，使用樣例如下：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
 
int main()
{
    struct sigaction newact, oldact;
 
    newact.sa_handler = SIG_IGN; // 設(shè)置信號忽略，也可以設(shè)置為處理函數(shù)
    sigemptyset(&newact.sa_mask);
    newact.sa_flags = 0;
    int count = 0;
    pid_t pid = 0;
 
    sigaction(SIGINT, &newact, &oldact); // 原始的備份到oldact，為后續(xù)的處理恢復(fù)
 
    pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
        while(1)
        {
            printf("child exec ...\n");
            sleep(1);
        }
        return 0;
    }
 
    while (1)
    {
        if (count++ > 3)
        {
            sigaction(SIGINT, &oldact, NULL); // 恢復(fù)父進程信號處理方式
            kill(pid, SIGKILL); // 父進程發(fā)信號給子進程
        }
 
        printf("father exec ...\n");
        sleep(1);
    }
 
    return 0;
}

第二部分：定時器

在Linux網(wǎng)絡(luò)編程中，定時器的作用主要是管理定時任務(wù)，處理過期連接，檢測超時隊列等，那我們可以通過哪些方式實現(xiàn)定時器呢?

1、利用系統(tǒng)API

...
setsockopt(socketfd, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, &timeout, len);
setsockopt(socketfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &timeout, len);
int number = epoll_wait(fd, events, MAX_EVENT_NUMBER, timeout);
...

通過使用socket的參數(shù)，設(shè)置連接句柄的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)超時時間，可以實現(xiàn)定時處理：

(1)SO_SNDTIMEO發(fā)送數(shù)據(jù)超時時間，根據(jù)timeout設(shè)置;

(2)SO_RCVTIMEO接收數(shù)據(jù)超時時間，根據(jù)timeout設(shè)置;

IO復(fù)用的參數(shù)中都帶了一個timeout參數(shù)，可以設(shè)置來達到定時觸發(fā)分支邏輯，比如epoll_wait;

2、簡單的定時器

(1)啟動一個線程實現(xiàn)定時器，具體實現(xiàn)如下圖：

1. 主線程啟動，開始執(zhí)行任務(wù)，這里可以是網(wǎng)絡(luò)收發(fā)或者其他;
2. 啟動一個線程，做定時任務(wù)處理使用;
3. 主線程需要增加定時任務(wù)，可以將任務(wù)封裝為task，添加到任務(wù)隊列中;
4. 同時通知定時線程，隊列中有任務(wù)了，這里通知機制可以是信號量或者廣播方式;
5. 定時線程取出隊列中任務(wù)，判斷當前任務(wù)是否過期，如果過期就執(zhí)行，沒有過期就繼續(xù)放入任務(wù)隊列中，同時這里需要讓線程等待隊列中距離下一個周期最短的時間，繼續(xù)取隊列任務(wù);

(2)使用epoll_wait設(shè)置timeout，是在網(wǎng)絡(luò)事件觸發(fā)的定時器中最方便的方式，具體邏輯如下：

... 
start_timer = ... // 開始執(zhí)行時間
while (true) {
    int number = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, timeout);
    for (...) {
        ...
        // 處理連接任務(wù)
        ...
    }
    end_timer = ... // epoll_wait返回并處理任務(wù)時間
    // 處理定時任務(wù)，判斷當前時間是否在一個timeout
    if (end_timer - start_timer > timeout) { // 這里是偽代碼，具體時間判斷可以參考linux結(jié)構(gòu)體
        ...
        // 啟動線程執(zhí)行定時任務(wù)邏輯
        ...
    }
}

3、時間輪

時間輪是一種高效定時器，通過類似圓盤的形式定義每個tick，定時轉(zhuǎn)動圓盤，假設(shè)每次tick時間為si，一個時間輪有N個tick，那么執(zhí)行轉(zhuǎn)動一圈時間為N*si;

現(xiàn)在插入一個任務(wù)，需要to1時間周期后執(zhí)行，這里就分情況處理：

(1)如果to1 < N*si，則需要分配到(當前時間輪的位置 + to1 / si)的位置上，等待自然tick到達執(zhí)行當前to1的定時任務(wù);

(2)如果to1 > N*si，則需要分配到(當前時間輪的位置 + (to1 % N) / si + N)的位置上，由于to1執(zhí)行時間超過一輪的周期，所以需要等待多輪轉(zhuǎn)動后才能執(zhí)行，那如何處理呢?因此我們將每個輪的tick上掛一個鏈表，這個鏈表的節(jié)點表示到達這個tick需要執(zhí)行的任務(wù)to1，這里的節(jié)點有可能是大于一個輪轉(zhuǎn)動的事件周期，也可能就是當前輪時間周期內(nèi)執(zhí)行，我們只需要當事件到達tick時，取出鏈表遍歷鏈表節(jié)點to1，判斷是否是當前事件周期內(nèi)執(zhí)行，如果是摘除鏈表節(jié)點然后執(zhí)行任務(wù)，如果不是則重新計算to1需要多久后執(zhí)行，計算方法就和上面的一樣(當前時間輪位置 + ((to1 - 鏈表最小的周期時間) % N) / si + N)，然后將當前鏈表節(jié)點重新放回;

事件輪

4、時間堆

堆的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該大家都比較熟悉了，堆是一種滿足以下條件的樹：

• 堆中某個節(jié)點的值總是不大于或不小于其父節(jié)點的值;
• 堆總是一棵完全二叉樹;
• 添加堆節(jié)點的時間復(fù)雜度O(lgn)，刪除節(jié)點是O(lgn)，獲取節(jié)點是O(1);

時間堆

(1)循環(huán)線程讀取最小時間堆的堆頂元素;

(2)取出最小節(jié)點，判斷當前事件是否過期，如果過期則繼續(xù)執(zhí)行，否則不處理;

(3)將最小節(jié)點對應(yīng)的事件丟給執(zhí)行線程執(zhí)行;

這里最小時間堆節(jié)點在代碼實現(xiàn)中可以用一個數(shù)組表示，使用完全二叉樹的排列。

#include<iostream>

void heapify(int arr[], int n, int i) {
    if (i >= n) return;
    
    int min_node = i;
    int lson = i * 2 + 1;
    int rson = i * 2 + 2;
    if (lson < n && arr[min_node] > arr[lson]) { // 和左孩子比較，找到最小節(jié)點
        min_node = lson;
    }
    if (rson < n && arr[min_node] > arr[rson]) { // 和右孩子比較，找到最小節(jié)點
        min_node = rson;
    }
    if (min_node != i) {
        swap(arr[min_node], arr[i]);
        heapify(arr, n, min_node); // 遞歸處理
    }
}

void heapSort(int arr[], int n) {
    // 反向取出最后一個節(jié)點
    int lastNode = n - 1;
    int parent = (lastNode - 1) / 2;
    for (int i = parent; i >= 0; i--) {
        heapify(arr, n, i); 
    }

    for (int i = n - 1; i >= 0; i--) {
        swap(arr[i], arr[0]);
        heapify(arr, i, 0); // 調(diào)整堆節(jié)點
    }
}

int main() {
    int arr[5] = { 70, 41, 10, 90, 18, 26 };
    heap_sort(arr, sizeof(arr) / sizeof(arr[0]));
    for (int i = 0; i < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); i++) {
        cout << arr[i] << endl;
    }
    return 0;
}