簡介
一般來說，簡單的異步（Asynchronous） 調(diào)用是這樣一種調(diào)用方式：發(fā)起者請求一個異步調(diào)用，通知執(zhí)行者，然后處理其他工作，在某一個同步點等待執(zhí)行者的完成；執(zhí)行者執(zhí)行調(diào)用的實際操作，完成后通 知發(fā)起者。可以看出，在異步調(diào)用中有兩種角色：發(fā)起者和執(zhí)行者，它們都是能主動運行的對象，我們稱為主動對象，同時還有一個同步點，主動對象在同步點協(xié)調(diào) 同步。在本文中，我們討論主要是通用計算機、多進程多線程的分時操作系統(tǒng)上的異步調(diào)用。在操作系統(tǒng)的角度上來看，主動對象包括了進程、線程和硬件上的IC等，至于中斷，可以看作總是在某個進程或者線程的上下文借用一下CPU。而同步操作可以通過操作系統(tǒng)得各種同步機制：互斥鎖，信號燈等等來完成。
我們可以先看看異步調(diào)用在Windows(本文中一般不加指出的話，都是特指NT/2000)讀寫文件中的應(yīng)用。Windows中的ReadFile和WriteFile都提供了異步的接口。以ReadFile為例，
BOOL ReadFile(HANDLE hFile, LPVOID lpBuffer, DWORD nNumberOfBytesToRead, LPDWORD lpNumberOfBytesRead, LPOVERLAPPED lpOverlapped);
如果最后一個參數(shù)lpOverlapped不為NULL，并且文件以FILE_FLAG_OVERLAPPED 標志打開，那么這個調(diào)用就是異步的：ReadFile會立刻返回，如果操作沒有立刻完成（返回FALSE并且GetLastError()返回 ERROR_IO_PENDING），那么調(diào)用者可以在某個時刻通過WaitForSingleObject等函數(shù)來等待中的hEvent來等待操作完成 （可能已經(jīng)完成）進行同步，當操作完成以后，可以調(diào)用GetOverlappedResult者獲得操作的結(jié)果，比如是否成功，讀取了多少字節(jié)等等。這里 的發(fā)起者就是應(yīng)用程序，而執(zhí)行者就是操作系統(tǒng)本身，至于執(zhí)行者是怎么執(zhí)行的，我們會在后面的篇幅討論。而兩者的同步就是通過一個Windows Event來完成。
把這個異步調(diào)用的過程再抽象和擴展一些，我們可以把異步調(diào)用需要解決的問題歸結(jié)為兩個：一個是執(zhí)行的動力，另一個是主動對象的調(diào)度。簡單來說，前者是各個主動對象（線程、進程或者一些代碼）是如何獲得CPU，后者是各個主動對象如何協(xié)同工作， 保證操作的流程是協(xié)調(diào)正確的。一般來說，進程和線程都可以由操作系統(tǒng)直接調(diào)度而獲得CPU，而更細粒度的，比如一些代碼的調(diào)度，往往就需要一個更復(fù)雜的模 型（比如在操作系統(tǒng)內(nèi)部的實現(xiàn)，這時候線程的粒度太粗了）。而主動對象的調(diào)度，當參與者較少的時候，可以通過基本的同步機制來完成，在更復(fù)雜的情況下，可 能通過一個schedule機制來做會更實際一些。
動力和調(diào)度
如前所述，異步調(diào)用主要需要解決兩 個問題：執(zhí)行的動力和執(zhí)行的調(diào)度。最普遍的情況就是，一個主導(dǎo)流程的調(diào)用者進程（線程），一個或多個工作者進程（線程），通過操作系統(tǒng)提供的同步機制來完 成異步調(diào)用。這個同步機制在擴展化的情形下，是一個或多個柵欄Barrier，對應(yīng)于每個同步的執(zhí)行點。所有需要在這個執(zhí)行點同步的主動對象會等待相應(yīng)的 Barrier，直到所有對象都完成。在一些簡化的情形，比如說工作者并不關(guān)心調(diào)用者的同步，那么這個Barrier可以簡化成信號燈，在只有一個工作者 的情況下，可以簡化成一個Windows事件Event或者條件變量 Condition Variable。
現(xiàn)在來考慮復(fù)雜的情 形。假設(shè)我們用一些線程來協(xié)作完成一項工作，各個線程的執(zhí)行之間有先后順序上的限制，而操作系統(tǒng)就是這項工作的調(diào)度者，負責(zé)在適當?shù)臅r候調(diào)度適當?shù)木€程來 獲得CPU。顯然，并發(fā)執(zhí)行中的一個線程對于另外一個線程來說，本質(zhì)上就是異步的，假如它們之間有調(diào)用關(guān)系，那也就是一個異步調(diào)用。而操作系統(tǒng)可以通過基 本的同步機制使得合適的線程才被調(diào)度，其他未完成的線程則處于等待狀態(tài)。舉例說，我們有4個線程A,B,C,D來完成一項工作，其中的順序限制是 A>B;C>D，“>”表示左邊的線程完成必須先于右邊的線程執(zhí)行，而“;”表示兩個線程可以同時進行。同時假設(shè)B的一個操作需要調(diào)用 C來完成，顯而易見，這時候這個操作就是一個異步調(diào)用。我們可以在每個“>”的位置設(shè)定一個同步點，然后通過一個信號燈來完成同步。線程B，C等待 第一個信號燈，而D會等待第二個信號燈。這個例子的動力和調(diào)度都是通過操作系統(tǒng)的基本機制（線程調(diào)度和同步機制）來完成。
把這個過程抽象一下，可以描述為：若干個主動對象（包括代碼）協(xié)調(diào)來完成一項工作，通過一個調(diào)度器來調(diào)度，實際上，這個調(diào)度器可能只是一些調(diào)度規(guī)則。顯 然，進程或者線程只要被調(diào)度就能獲得CPU，所以我們主要考慮代碼（比如一個函數(shù)）怎么樣才能獲得執(zhí)行。用工作者線程來調(diào)用這個函數(shù)顯然是直觀和通用的一 個方案。事實上，在用戶空間(user space)或者用戶態(tài)(user mode)，這個方法是很常用的。而在內(nèi)核態(tài)(kernel mode)，則可以通過中斷來獲得CPU，這個通過注冊IDT入 口和觸發(fā)軟中斷就可以完成。硬件設(shè)備上的IC是另一個動力之源。而主動對象的調(diào)度，最基本的也是前面說的各種同步機制。另一個常用的機制就是回調(diào)函數(shù)，需 要注意的是，回調(diào)函數(shù)一般會發(fā)生在跟調(diào)用者不一樣的上下文，比如說同一個進程的不同線程，這個差別會帶來一些限制。如果需要回調(diào)發(fā)生在調(diào)用者的進程（線 程）上下文，則需要一些類似Unix下的signal或者Windows下的APC機制，這一點我們在后面會有所闡述。那么在回調(diào)函數(shù)里面一般作些什么事情呢？最常用的， 跟同步機制結(jié)合在一起，當然就是釋放一個互斥鎖，信號燈或者Windows Event（Unix的條件變量）等等，從而使得等待同步的其他對象可以得到調(diào)度而重新執(zhí)行，實際上，也可以看作是通知調(diào)度器（操作系統(tǒng)）某些主動對象 （等待同步的）可以重新被調(diào)度了，從而調(diào)度器重新調(diào)度。但是對于另外一些調(diào)度器，在這個過程中可能不需要同步對象的參與。在一些極端一些的例子里，調(diào)度甚 至不要求嚴格有序的。
在實際應(yīng)用中，根據(jù)環(huán)境的限制，異步調(diào)用的動力和調(diào)度的實現(xiàn)方式可以有很大差別。我們會在后面的例子里加以說明。 操作系統(tǒng)中的異步：Windows的異步I/O。
Windows NT/2000是一個搶占式的分時操作系統(tǒng)。Windows的調(diào)度單位是線程，它的 I/O架構(gòu)是完全異步的，也就是說同步的I/O實際上都基于異步I/O來完成。一個用戶態(tài)的線程請求一個I/O的時候會導(dǎo)致一個運行狀態(tài)從user mode到kernel mode的轉(zhuǎn)變（操作系統(tǒng)把內(nèi)核映射到每個進程的2G-4G的地址上，對于每個進程都是一樣的）。這個過程是通過中斷調(diào)用內(nèi)核輸出的一些System Service來完成，比如說ReadFile實際上會執(zhí)行NtReadFile（ZwReadFile），需要注意的是，運行上下文仍然是當前線程。 NtReadFile的實現(xiàn)則基于Windows內(nèi)核的異步I/O框架，在I/O Manager的協(xié)助下完成。需要指出的是，I/O Manager只是由若干API構(gòu)成的一個抽象概念，并沒有一個真正的I/O Manager線程在運行。
Windows的I/O驅(qū)動程序是層次堆積的。每個驅(qū)動程序會提供一致的接口以供初始化、清理和功能調(diào)用。驅(qū)動程序的調(diào)用基于I/O請求包（I/O Request Packet, IRP），而不是像普通的函數(shù)調(diào)用那樣使用棧來傳遞參數(shù)。操作系統(tǒng)和PnP管理器根據(jù)注冊表在 適當?shù)臅r機初始化和清理相應(yīng)的驅(qū)動程序。在一般的功能調(diào)用的時候，IRP里面會指定功能調(diào)用號碼以及相應(yīng)的上下文或者參數(shù)（I/O stack location）。一個驅(qū)動程序可能調(diào)用別的驅(qū)動程序，這個過程可能是同步的（線程上下文不改變)，也可能是異步的。NtReadFile的實現(xiàn)，大致 是向最上層的驅(qū)動程序發(fā)出一個或多個IRP，然后等待相應(yīng)事件的完成（同步的情況），或者直接返回（帶Overlapped的情況），這些都在發(fā)起請求的 線程執(zhí)行。
當驅(qū)動程序處理IRP的時候，它可能立刻完成，也可能在中斷里才能完成，比如說，往硬件設(shè)備發(fā)出一個請求（通常可以是寫 I/O port），當設(shè)備完成操作的時候會觸發(fā)一個中斷，然后在中斷處理函數(shù)里得到操作結(jié)果。Windows有兩類中斷，硬件設(shè)備的中斷和軟中斷，分成若干個不 同的優(yōu)先級（IRQL）。軟中斷主要有兩種：DPC(Delayed Procedure Call)和APC(Asynchronous Procedure Call)，都處于較低的優(yōu)先級。驅(qū)動程序可以為硬件中斷注冊ISR(Interrupt Service Routine)，一般就是修改IDT某個條目的入口。同樣，操作系統(tǒng)也會為DPC和APC注冊適當?shù)闹袛嗵幚砝蹋ㄒ彩窃贗DT中）。
值得指出的是，DPC是跟處理器相關(guān)的，每個處理器會有一個DPC隊列，而APC是跟線程相關(guān)的，每個線程會有它的APC隊列（實際上包括一個 Kernel APC隊列和User APC隊列，它們的調(diào)度策略有所區(qū)別），可以想象，APC并不算嚴格意義上的中斷，因為中斷可能發(fā)生在任何一個線程的上下文中，它被稱為中斷，主要是因為 IRQL的提升（從PASSIVE到APC），APC的調(diào)度一般在線程切換等等情形下進行。當中斷發(fā)生的時候，操作系統(tǒng)會調(diào)用中斷處理例程，對于硬件設(shè)備 的ISR，一般處理是關(guān)設(shè)備中斷，發(fā)出一個DPC請求，然后返回。不在設(shè)備的中斷處理中使用太多的CPU時間，主要考慮是否則可能丟失別 的中斷。由于硬件設(shè)備中斷的IRQL比DPC中斷的高，所以在ISR里面DPC會阻塞，直到ISR返回IRQL回到較低的水平，才會觸發(fā)DPC中斷，在 DPC中斷里執(zhí)行從硬件設(shè)備讀取數(shù)據(jù)以及重新請求、開中斷等操作。ISR或者DPC可能在任何被中斷的線程上下文（arbitrary thread context）執(zhí)行，事實上線程的上下文是不可見的，可以認為是系統(tǒng)借用一下時間片而已。
總的來說，Windows的異步I/O架 構(gòu)中，主要有兩種動力，一是發(fā)起請求的線程，一部分內(nèi)核代碼會在這個線程上下文執(zhí)行，二是ISR和DPC，這部分內(nèi)核代碼會在中斷里完成，可能使用任何一 個線程的上下文。而調(diào)度常見使用回調(diào)和事件（KEVENT），比如說在往下一層的驅(qū)動程序發(fā)出請求的時候，可以指定一個完成例程Completion Routine，當下層的驅(qū)動完成這個請求的時候會調(diào)用這個例程，而往往在這個例程里，就是簡單的觸發(fā)一下一個事件。 另外可以順便提一下Linux。Linux 2.6也有類似的中斷機制，它有更多的軟中斷優(yōu)先級，即不同優(yōu)先級的softirq，而類似于DPC，Linux也提供了專門的軟中斷，對應(yīng)DPC的就是 tasklet。Linux沒有一個像windows這么一致的層次驅(qū)動程序架構(gòu)，所以它的異步I/O稍微粗糙一些，主要是通過以前的一些阻塞點，現(xiàn)在直 接返回-EIOCBRETRY，而讓調(diào)用者在合適的時機繼續(xù)重試。在這個方法中，可以認為整個操作由一個函數(shù)完成，每次操作有進展時，都把這個函數(shù)從頭執(zhí) 行一遍，當然已經(jīng)完成的部分就不會再有實際的I/O。這樣的最大好處是原有的文件系統(tǒng)和驅(qū)動程序不用完全重寫。而對于同步調(diào)用，只要阻塞就可以了，這樣對 系統(tǒng)的修改較小。這時候，要提供POSIX aio的語義，就可能需要提供一些用戶線程來完成重試的過程了（回想Windows可以通過中斷和DPC完成的）。而對于Solaris，也是類似的處理，如果設(shè)備支持異步I/O，那就通過中斷可以完成，否則就使用內(nèi)部的LWP來模擬。
應(yīng)用程序：一個異步的HTTP服務(wù)器的設(shè)計
假設(shè)我們要設(shè)計一個HTTP服務(wù)器，它的設(shè)計目標包括：高并發(fā)性、精簡 （部分支持HTTP/1.1）、支持plug-in結(jié)構(gòu)。在不少場合可能都有這個需求。總體上來說，HTTP服務(wù)器可以類比成一個基于多線程的操作系 統(tǒng)：OS調(diào)度每個工作線程在適當?shù)臅r候獲得執(zhí)行，而工作線程提供服務(wù)（也就是處理HTTP請求）。在這個基礎(chǔ)上，主要的考慮就是調(diào)度粒度的大小，粒度太大 的時候并發(fā)性會降低，而粒度太小又可能因為任務(wù)切換（考慮OS的Context Switching）而導(dǎo)致效率降低，所以這又是一個折衷的結(jié)果。類似于Apache（以及其他的HTTP服務(wù)器），我們可以把一個HTTP處理過程分為 若干個狀態(tài)，基于這些狀態(tài)可以構(gòu)造出一個HTTP處理的狀態(tài)機。這種情況下，我們就可以把每個狀態(tài)的處理作為調(diào)度的粒度。一個調(diào)度過程就是：一個工作線程 從全局的任務(wù)隊列里取出一個HTTP_Context結(jié)構(gòu)；根據(jù)當前的狀態(tài)完成相應(yīng)處理；然后根據(jù)狀態(tài)機設(shè)置下一個狀態(tài)；再放回到全局的任務(wù)隊列里。這樣 子，若干個HTTP狀態(tài)就可以通過這個調(diào)度策略構(gòu)成一個完整HTTP處理過程。顯而易見，一個狀態(tài)對于下一個狀態(tài)處理的調(diào)用都可以認為是異步的。一個 HTTP狀態(tài)機的設(shè)計如下圖所示。
圖1. HTTP狀態(tài)機
工作線程的函數(shù)其實就是兩個操作：從狀態(tài)隊列里取出一個HTTP_Context，調(diào)用HTTP_Context的service()函數(shù)，周而復(fù)此。 在這個架構(gòu)上，就很容易引入異步I/O和Plug-in的機制了。事實上我們也可以使用基于事件（例如select/poll）的I/O策略來模擬異步I /O，實現(xiàn)中使用一個用戶線程就可以了。
對于異步I/O和Plug-in的調(diào)用，我們也是采用類似于Linux 2.6里面aio的重試方案，而異步完成的時候采用回調(diào)函數(shù)。在某個狀態(tài)上，如果系統(tǒng)需要I/O操作（recv或者send），則會請求一個異步I /O（操作系統(tǒng)提供的異步I/O或者由用戶線程模擬的異步I/O），這時候相應(yīng)的HTTP_Context不會重新回到狀態(tài)隊列里，而在I/O完成的回調(diào) 函數(shù)里面才會重新放回到狀態(tài)隊列，得到重新調(diào)度的機會。HTTP_Context得到重新調(diào)度的時候會檢查I/O狀態(tài)（這個可以通過一些標志位來完成）， 如果已經(jīng)完成，則處理然后設(shè)置下一狀態(tài)，重新調(diào)度，否則可以重新請求一個新的I/O請求。Plug-in也可以使用類似的方案，比如說一個Plug-in 要跟外部的一個服務(wù)器通信，這時候就可以在通信完成的時候才把HTTP_Context重新放回到狀態(tài)隊列。顯然，Plug-in跟HTTP狀態(tài)是多對多 的關(guān)系，一個Plug-in可以在若干個關(guān)心的狀態(tài)注冊自身，同時還可以設(shè)置一些short-path來提高處理的效率。
結(jié)論
總的來說，異步調(diào)用的設(shè)計和應(yīng)用歸根結(jié)底就是對多個主動對象的管理問題：如何提供執(zhí)行的動力以及如何保證執(zhí)行的順序邏輯。主要考慮的問題是主動對象的粒 度以及執(zhí)行方式，同步或者回調(diào)來完成順序的調(diào)度，或者使用近似的調(diào)度而加一些魯棒的錯誤處理機制來保證語義的正確。后者可以考慮在使用基于事件的 socket的時候，readable事件的通知可以是冗余的，或者說可以比實際中發(fā)生的readable事件更多，這個時候使用非阻塞的socket, 有些read()（或者recv()）會直接返回EWOULDBLOCK，系統(tǒng)只要考慮處理這種情況（使用non blocking socket而不是blocking socket），當例外的情況不多的時候是可以接受的。這時候可以說事件的報告就只是近似的。
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posted on 2010-09-06 17:33
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