浅析State-Thread

State-Thread（以下简称st），是一个由C语言编写的小巧、简洁却高效的开源协程库。这个库基於单线程运作、不强制占用用户线程，给予了开发者最大程度的轻量级和较低的侵入性。本篇文章中，网易云信音视频研发大神将为大家简要分析State-Thread，欢迎大家积极留言，和我们共同讨论。
在开始这个话题之前，我们先来聊一聊协程。
什么是协程？
协程是一种程序组件。通常我们把协程理解为是一种程序自己实现调度、用于提高运行效率、降低开发复杂度的东西。提高运行效率很好理解，因为在程序层自己完成了部分的调度，降低了对系统调度的依赖，减少了大量的中断和换页操作。而降低了开发复杂度，则是指对于开发者而言，可以使用同步的方式去进行代码开发（不需要考虑异步模型的诸多回调），也不需要考虑多线程模型的线程调度和诸多的临界资源问题。
很多语言都拥有协程，例如python或者golang。而对于c/c++而言，通常实现协程的常见方式，通常是依赖于glibc提供的setjump&longjump或者基于汇编语言，当然还有基于语义实现（protothread）。linux上使用协程库的方式，通常也会分为替换函数和更为暴力的替换so来实现。当然而各种方式有各自的优劣。而st选用的汇编语言实现setjump&longjump和要求用户调用st_打头的函数来嵌入程序。所以st具备了跨平台的能力，以及让开发者们更开心的“与允许调用者自行选择切换时机”的能力。
st究竟是如何实现了这一切？
首先我们先看看st的整体工作流程：

在宏观的来看，ST的结构主要分成：
vp_schedule。主要是负责了一个调度的能力。有点类似于linux内核当中的schedule()函数。每次当这个函数被调用的时候，都会完成一次线程的切换。
各种Queue。用于保存各种状态下等待被调度协程（st_thread）
Timer。用于记录各种超时和sleep。
poll。用于监听各种io事件，会根据系统能力不同而进行切换（kqueue、epoll、poll、select）。
st_thread。用于保存各种协程的信息。
其中比较重要的是schedule模块和thread模块两者。这两者实现了一个完整的协程切换和调度。属于st的核心。而schedule部分通常是开发者们最需要关心的部分。
接下来我们会深入到代码层，看一下具体在这个过程里做了些什么。
通常对于st而言，所有暴露给用户的除了init函数，就是一系列的st_xxx函数了。那么先看看init函数。
int st_init(void)
{
_st_thread_t *thread;

if (_st_active_count) {
/ Already initialized /
return 0;
}

/ We can ignore return value here /
st_set_eventsys(ST_EVENTSYS_DEFAULT);

if (_st_io_init() < 0)
return -1;

memset(&_st_this_vp, 0, sizeof(_st_vp_t));

ST_INIT_CLIST(&_ST_RUNQ);
ST_INIT_CLIST(&_ST_IOQ);
ST_INIT_CLIST(&_ST_ZOMBIEQ);

if ((*_st_eventsys->init)() < 0)
return -1;

_st_this_vp.pagesize = getpagesize();
_st_this_vp.last_clock = st_utime();

/*

• Create idle thread

*/
_st_this_vp.idle_thread = st_thread_create(_st_idle_thread_start,
NULL, 0, 0);
if (!_st_this_vp.idle_thread)
return -1;
_st_this_vp.idle_thread->flags = _ST_FL_IDLE_THREAD;
_st_active_count--;
_ST_DEL_RUNQ(_st_this_vp.idle_thread);

/*

• Initialize primordial thread

*/
thread = (_st_thread_t *) calloc(1, sizeof(_st_thread_t) +
(ST_KEYS_MAX sizeof(void )));
if (!thread)
return -1;
thread->private_data = (void **) (thread + 1);
thread->state = _ST_ST_RUNNING;
thread->flags = _ST_FL_PRIMORDIAL;
_ST_SET_CURRENT_THREAD(thread);
_st_active_count++;

return 0;
}
这段函数一共做了3事情，创建了一个idle_thread, 初始化了_ST_RUNQ、_ST_IOQ、
_ST_ZOMBIEQ三个队列，把当前调用者初始化成原始函数（通常st_init会在main里面调用,所以这个原始的thread相当于是主线程）。idle_thread函数，其实就是整个IO和定时器相关的本体函数了。st会在每一次_ST_RUNQ运行完成后，调用idle_thread来获取可读写的io和定时器。这个我们后续再说。
那么，st_xxx一般会分成io类和延迟类（sleep）。两者入口其实是同一个，只不过在io类的会多调用一层。我们这里选择st_send为代表。
int st_sendmsg(_st_netfd_t fd, const struct msghdr msg, int flags,
st_utime_t timeout)
{
int n;

while ((n = sendmsg(fd->osfd, msg, flags)) < 0) {
if (errno == EINTR)
continue;
if (!_IO_NOT_READY_ERROR)
return -1;
/ Wait until the socket becomes writable /
if (st_netfd_poll(fd, POLLOUT, timeout) < 0)
return -1;
}

return n;
}
本质上所有的st函数都是以异步接口+ st_netfd_poll来实现的。在st_netfd_poll以内，会去调用st_poll，而st_poll本质上会调用并且切换线程。
int st_netfd_poll(_st_netfd_t *fd, int how, st_utime_t timeout)
{
struct pollfd pd;
int n;

pd.fd = fd->osfd;
pd.events = (short) how;
pd.revents = 0;

if ((n = st_poll(&pd, 1, timeout)) < 0)
return -1;
if (n == 0) {
/ Timed out /
errno = ETIME;
return -1;
}
if (pd.revents & POLLNVAL) {
errno = EBADF;
return -1;
}

return 0;
}

int st_poll(struct pollfd *pds, int npds, st_utime_t timeout)
{
struct pollfd *pd;
struct pollfd *epd = pds + npds;
_st_pollq_t pq;
_st_thread_t *me = _ST_CURRENT_THREAD();
int n;

if (me->flags & _ST_FL_INTERRUPT) {
me->flags &= ~_ST_FL_INTERRUPT;
errno = EINTR;
return -1;
}

if ((*_st_eventsys->pollset_add)(pds, npds) < 0)
return -1;

pq.pds = pds;
pq.npds = npds;
pq.thread = me;
pq.on_ioq = 1;
_ST_ADD_IOQ(pq);
if (timeout != ST_UTIME_NO_TIMEOUT)
_ST_ADD_SLEEPQ(me, timeout);
me->state = _ST_ST_IO_WAIT;

_ST_SWITCH_CONTEXT(me);

n = 0;
if (pq.on_ioq) {
/ If we timed out, the pollq might still be on the ioq. Remove it /
_ST_DEL_IOQ(pq);
(*_st_eventsys->pollset_del)(pds, npds);
} else {
/ Count the number of ready descriptors /
for (pd = pds; pd < epd; pd++) {
if (pd->revents)
n++;
}
}

if (me->flags & _ST_FL_INTERRUPT) {
me->flags &= ~_ST_FL_INTERRUPT;
errno = EINTR;
return -1;
}

return n;
}
那么到此为止，st_poll中就出现了我们最关心的调度部分了。
当一个线程进行调度的时候一般都是poll_add(如果是io操作)，add_queue, _ST_SWITCH_CONTEXT完成一次调度。根据不同的类型，会add到不同的queue。例如需要超时，则会add到IOQ和SLEEPQ。而_ST_SWITCH_CONTEXT，则是最关键的切换线程操作了。
_ST_SWITCH_CONTEXT其实是一个宏，它的本质是调用了MD_SETJMP和_st_vp_schedule().

define _ST_SWITCH_CONTEXT(_thread) \

ST_BEGIN_MACRO \
ST_SWITCH_OUT_CB(_thread); \
if (!MD_SETJMP((_thread)->context)) { \
_st_vp_schedule(); \
} \
ST_DEBUG_ITERATE_THREADS(); \
ST_SWITCH_IN_CB(_thread); \
ST_END_MACRO
这个函数其实就是一个完成的线程切换了。在st里线程的切换会使用MD_SETJMP->_st_vp_schedule->MD_LONGJMP。MD_SETJMP和MD_LONGJMP其实就是st使用汇编自己写的setjmp和longjmp函数（glibc），效果也是几乎等效的。（因为st本身会做平台适配，所以我们以x86-64的汇编为例）

elif defined(__amd64__) || defined(__x86_64__)

/*

• Internal __jmp_buf layout

*/

define JB_RBX 0

define JB_RBP 1

define JB_R12 2

define JB_R13 3

define JB_R14 4

define JB_R15 5

define JB_RSP 6

define JB_PC 7

.file "md.S"
.text

/ _st_md_cxt_save(__jmp_buf env) /
.globl _st_md_cxt_save
.type _st_md_cxt_save, @function
.align 16
_st_md_cxt_save:
/*

• Save registers.

*/
movq %rbx, (JB_RBX*8)(%rdi)
movq %rbp, (JB_RBP*8)(%rdi)
movq %r12, (JB_R12*8)(%rdi)
movq %r13, (JB_R13*8)(%rdi)
movq %r14, (JB_R14*8)(%rdi)
movq %r15, (JB_R15*8)(%rdi)
/ Save SP /
leaq 8(%rsp), %rdx
movq %rdx, (JB_RSP*8)(%rdi)
/ Save PC we are returning to /
movq (%rsp), %rax
movq %rax, (JB_PC*8)(%rdi)
xorq %rax, %rax
ret
.size _st_md_cxt_save, .-_st_md_cxt_save

//

/ _st_md_cxt_restore(__jmp_buf env, int val) /
.globl _st_md_cxt_restore
.type _st_md_cxt_restore, @function
.align 16
_st_md_cxt_restore:
/*

• Restore registers.

*/
movq (JB_RBX*8)(%rdi), %rbx
movq (JB_RBP*8)(%rdi), %rbp
movq (JB_R12*8)(%rdi), %r12
movq (JB_R13*8)(%rdi), %r13
movq (JB_R14*8)(%rdi), %r14
movq (JB_R15*8)(%rdi), %r15
/ Set return value /
test %esi, %esi
mov $01, %eax
cmove %eax, %esi
mov %esi, %eax
movq (JB_PC*8)(%rdi), %rdx
movq (JB_RSP*8)(%rdi), %rsp
/ Jump to saved PC /
jmpq *%rdx
.size _st_md_cxt_restore, .-_st_md_cxt_restore

//
MD_SETJMP的时候，会使用汇编把所有寄存器的信息保留下来，而MD_LONGJMP则会把所有的寄存器信息重新加载出来。两者配合使用的时候，可以完成一次函数间的跳转。
那么我们已经看到了MD_SETJMP的调用，MD_LONGJMP调用在哪儿呢？
让我们继续看下去，在最一开始，我们就提及过_st_vp_schedule()这个核心函数。
void _st_vp_schedule(void)
{
_st_thread_t *thread;

if (_ST_RUNQ.next != &_ST_RUNQ) {
/ Pull thread off of the run queue /
thread = _ST_THREAD_PTR(_ST_RUNQ.next);
_ST_DEL_RUNQ(thread);
} else {
/ If there are no threads to run, switch to the idle thread /
thread = _st_this_vp.idle_thread;
}
ST_ASSERT(thread->state == _ST_ST_RUNNABLE);

/ Resume the thread /
thread->state = _ST_ST_RUNNING;
_ST_RESTORE_CONTEXT(thread);
}
这个函数其实非常简单，基本工作原理可以认为是执行以下几步： 1.查看当前RUNQ是否有可以调用的，如果有，则RUNQ pop一个thread。 2. 如果没有，则运行idle_thread。 3. 调用_ST_RESTORE_CONTEXT。
那么_ST_RESTORE_CONTEXT做了什么呢？

define _ST_RESTORE_CONTEXT(_thread) \

ST_BEGIN_MACRO \
_ST_SET_CURRENT_THREAD(_thread); \
MD_LONGJMP((_thread)->context, 1); \
ST_END_MACRO
简单来说，_ST_RESTORE_CONTEXT就是调用了我们之前所没有看到的MD_LONGJMP。
所以，我们可以简单地认为，在携程需要schedule的时候，会先把自身当前的栈通过MD_SETJMP保存起来，当线程被schedule再次调度出来的时候，则会使用MD_SETJMP来还原栈，完成一次协程切换。
然后我们来看看idle_thread做了什么。
虽然这个协程名字叫做idle，但是其实做了很多的事情。
void _st_idle_thread_start(void arg)
{
_st_thread_t *me = _ST_CURRENT_THREAD();

while (_st_active_count > 0) {
/ Idle vp till I/O is ready or the smallest timeout expired /
_ST_VP_IDLE();

/ Check sleep queue for expired threads /
_st_vp_check_clock();

me->state = _ST_ST_RUNNABLE;
_ST_SWITCH_CONTEXT(me);
}

/ No more threads /
exit(0);

/ NOTREACHED /
return NULL;
}
总的来说，idle_thread做了两件事情。1. _ST_VP_IDLE() 2. _st_vp_check_clock()。_st_vp_check_clock很好理解，就是检查定时器是否超时，如果超时了，则设置超时标记之后，放回RUNQ。而_ST_VP_IDLE，其实就是查看io是否已经ready了。例如linux的话，则会调用epoll_wait(_st_epoll_data->epfd, _st_epoll_data->evtlist,
_st_epoll_data->evtlist_size, timeout)去查看是否有可响应的io。timeout值会根据当前空闲情况进行变化，通常来说会是一个极小的值。
那么看到这里，整体的线程调度已经全部走完了。（详见前面最一开始的流程图）总体流程总结来说基本上是func() -> st_xxxx() -> AddQ -> MD_SETJMP -> schedule() -> MD_LONG -> func()。
所以对于st而言，所以的调度，是基于用户调用。那么如果用户一直不调用st_xxx()（例如计算密集性服务），st也就无法进行协程切换，那么其他协程也就产生极大的阻塞了。这也是为什么st并不太合适计算密集型的原因（其实单线程框架大多都不合适计算密集型）

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