关于guacamole项目中的一点感悟与理解

关于guacamole项目中的一点想法

前言

Guacamole 是基于 Web 的 VNC 客户端，使用它可以通过web浏览器访问远程服务器终端并进行操作。它的基本架构如下图所示。

在这里插入图片描述

巧合之下，前段时间了解了项目中guacd模块有关的一些内容，重点关注的是这个模块启动过程中涉及网络IO、线程、进程的建立（网络并发模型）等，学习记录在此，希望可以便人便己。

一、guacd模块启动相关

整个guacd模块的启动比较复杂，下面画了一个简要的代码流程图（流程图中主要关注的是网络IO、进程、线程的建立），如下所示。
在这里插入图片描述

流程比较复杂，下面根据上图简要介绍下：

  1. guacd所在的main（假设所在进程为P0,线程也是T0）运行之后，会在打开一个监听端口，等待accep（）连接到来；

  2. 当有连接到来之时，新建一个线程T1(对应的进程是P1)处理请求；然后T0接着accept；

  3. T1执行guacd_connection_thread（），在这个函数中判断连接请求是不是想加入原有的连接，还是建立新的连接。

    //蓝色右边部分：作为第一个进程，加载插件，然后建立工作进程

  4. 如果是新建连接，则会新建一个子进程P2；在P2中先通过动态链接的方式加载协议，之后阻塞在guacd_recv_fd（）上，等待父进程P1（建立子进程后父进程P1返回继续执行原来的任务，执行guac_add_user()）发送父子间通信的套接字端口proc_fd （这个proc_fd是用于IO线程和工作线程之间沟通用的）;

  5. 若P2接收到了发送的P1proc_fd，会新建一个线程T3；在T3中执行guacd_user_thread. 在guacd_user_thread中是主要建立连接关系的一些操作，然后执行 guac_user_handle_connection（）

  6. 在guac_user_handle_connection（）中又新建了一个子线程T4（这算是工作线程）；在T4中正式通过proc_fd和IO线程联系，循环处理客户端的请求。

    //红色左边部分：用于为每个请求建立IO线程（一个读线程、一个写线程）

  7. 在上述步骤3中，若请求是想加入一个已有的连接，则会跳过建立新进程的步骤；直接执行guacd_add_user（）；

  8. 在guacd_add_user（）中会建立一个unix套接字用于父子进程通信，通过guacd_send_fd（）发送给子进程（步骤3中的）

  9. 之后会新建io子线程T5，在io子线程中执行guacd_connection_io_thread（）；在guacd_connection_io_thread（）中又会新建一个写线程T6， 用来从网络中读，然后写到客户端（即工作线程）；T5线程当做读线程，从客户端（即工作线程）读数据，写入到网络中。

其基本的逻辑有两点需要说明：
 1、一个连接可以被多个用户共享（类似于分享屏幕），第一个建立这个连接的用户叫做这个连接的owner，逻辑会走一遍右边建立新进程的过程（需要加载动态库插件）。 后续想加入同一个连接的用户则不需要建立新的进程，只需要由owner所对应的进程建立工作线程即可。

 2、每个用户都会为其建立一组IO线程（读线程和写线程）和工作线程。其中前者主要是当做工作线程和网络之间的通信中介，其目的大概是提高整体的IO效率；后者的工作则主要是进行实际的业务处理。其基本关系如下图所示。

在这里插入图片描述

二、一些感悟与理解

  • 关于IO线程和工作线程

    在这里插入图片描述
    在guacamole中会为每个用户建立一组IO线程和工作线程。按照我目前所了解的，很多项目，尤其是涉及到网络IO的项目，其IO并发模型中大都会把用户的整个逻辑拆分为IO和实际的业务处理，对应由不同的线程进行处理。有必要吗？

    大部分情况下还是有必要的，尤其是对于并发量较大的web业务来说。按照我的理解分离IO线程和业务处理线程好处以下几点：
    （1）、一是可以在某种程度情况下，IO线程和业务线程并发处理（甚至可以利用多核的优点达到并行），使得业务线程在处理业务之时不影响IO（客户端的请求和回复），当然这也只是在一定程度上的，如果业务线程一直跟不上，IO线程再快，整体的服务质量也会下降。
    （2）、可以使用IO复用的机制，让IO线程同时处理多个连接的IO，或者使用以IO复用为基础的Reactor模式，大大提高系统的并发量。
    （3）、IO线程和业务线程解耦，在某些情况下可以方便的进行勘误或者性能调优，这一点我目前还没遇到过。

    当然把IO线程和业务线程分离也有一点不好的地方，由于把整个的业务逻辑（IO+具体对数据的处理）进行了拆分，因此在数据传递时会出现线程切换，造成一些性能损耗；在guacd中IO线程和工作线程分属于两个进程，切换的损耗还要更大些。

  • 关于IO复用
    在这里插入图片描述
    在很多现在的项目中都使用了IO复用的机制（epoll、select等），由多个连接共享一个IO线程。但是guacd这里用的就不是IO复用；它是给每个用户建立连接对应的一个IO读写线程和一个工作线程（应该是一个？），这种方式的话并发量可能不是很高，guacd为什么要这么设计呢？

    我想了想，大概是由于guacamole面向的大都是视频传输，传输的数据量都比较大，如果使用同一个线程来进行IO，会造成IO线程忙不过来的状况，倒不如使用每个连接一组IO线程的情形。这样说的话，选择什么样的IO并发模型也不是定数，还要根据具体的业务要求来进行判断。

  • 关于建立线程还是建立进程
    在这里插入图片描述
    线程和进程最主要的区别在我来看有两点，这两点分别是二者的优缺点：进程独立而切换慢，线程共享而切换快。在guacd中大部分逻辑都是建立的线程，但是在第一个owner建立连接的时候创建的是进程。

    按照我的理解是因为每个owner主管的连接所对应协议不尽相同，所需要加载的插件也不同，如果都是用线程的话，那么只能把所有用到的插件都加载到同一份进程空间中，大家一起共享了。虽然这么说理论说好像也可以，但这样的话占用的进程空间可能也比较了。 同时，所有的线程都放在一个进程中，逻辑上也有点混乱。

  • 关于同步
    我们以前学操作系统的时候知道线程、进程同步的一些机制，比如说条件变量、信号量等等。其实从某种程度上来说，使用IO的阻塞操作也可以达到同样的效果，如上图中的owner所在进程在等着父进程发送fd，也算是一种同步操作；再比如说，pthread_join，wait_pid这些等待子线程、子进程退出的操作，也能算作是一种同步手段。
    我的理解是，从本质上来说，这些手段底层都需要有共享的一个“东西”（ 可以是阻塞中的fd，可以是信号量中的信号，也可以是条件变量中的变量等等），用来起到一个通知的作用。

  • 关于进程和线程
    什么是进程，什么是线程？在linux上线程也是一种进程。那么它们的本质是什么？

    是一种执行流。 新建了一个进程或者线程，就相当于开辟了一个新的执行流，让其他的执行流因为暂时阻塞的缘故，cpu可以选择另一个执行流，以此来增加cpu的利用率和系统整体的吞吐量。

  • 一点的不理解
    在这里插入图片描述

    最后，在来谈点不理解的内容吧。
    一般来说，根据运行时间长短，线程或者进程可分为两种，一种是长期任务，一种是短期任务；长期任务的生命周期一般由用户的进入与退出（连接的建立与断开、或者整个程序的开始与结束）来决定，一般主逻辑里都会有一个while{} 循环（如上图中的IO线程和工作线程）；而短期的任务一般是临时的任务，执行完就结束了，一般不会有一直运行的循环操作（如上述guacd中的accpet之后建立的T1）；

    我不懂的是，为什么在上述流程图中的owner所在进程主管的部分（右半黄色部分），在有用户想要加入已有的连接之后，需要创建两个线程T3、T4；代码中T3新建了T4之后，就一直在那join了（阻塞住了），反正也没用，为什么不直接用T3来当做工作线程处理整个逻辑呢？目前还不是很懂，有了解的小伙伴，可以教教我。

参考

【1】guacamole项目地址
【2】《真象还原》
【3】为什么建议 Netty 的 I/O 线程与业务线程分离
【4】框架篇：见识一下linux高性能网络IO+Reactor模型