asio strand为什么比mutex好

本文深入解析了Boost.Asio库中strand的工作原理与实现细节。strand用于确保在一个io_service实例上,来自同一个strand的所有操作按顺序执行。文章通过具体源代码展示了如何通过内部锁机制和队列管理来达到此目的,并讨论了这种设计对于提高并发性能的优势。

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void strand_service::do_post(implementation_type& impl,
    operation* op, bool is_continuation)
{
  impl->mutex_.lock();
  if (impl->locked_)
  {
    // Some other handler already holds the strand lock. Enqueue for later.
    impl->waiting_queue_.push(op);
    impl->mutex_.unlock();
  }
  else
  {
    // The handler is acquiring the strand lock and so is responsible for
    // scheduling the strand.
    impl->locked_ = true;
    impl->mutex_.unlock();
    impl->ready_queue_.push(op);
    io_service_.post_immediate_completion(impl, is_continuation);
  }
}
</pre><pre code_snippet_id="574372" snippet_file_name="blog_20150107_3_5213123" name="code" class="cpp">如上。
<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif; background-color: rgb(255, 255, 255);">
</span>
<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif; background-color: rgb(255, 255, 255);">
</span>
<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif; background-color: rgb(255, 255, 255);">
</span>
<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif; background-color: rgb(255, 255, 255);">strand 最多193个。 也不需要太担心strand过多会影响效率或者浪费资源的问题。</span>

impl就是strand实现类, 内部还是有锁。
只不过锁的范围内没做什么事情, 检查状态 push/pop之类的;  尽量减少持有锁的时间, 通过这种方式来增强并发。
因为线程获取锁之后马上就释放了。  其他线程尝试获取锁时的争用情况大大减少了。 基本不会争用,更不可能会卡住。 
但是直接用mutex, 就可能出现被卡住的情况。



private:
  // Helper function to dispatch a handler. Returns true if the handler should
  // be dispatched immediately.
  BOOST_ASIO_DECL bool do_dispatch(implementation_type& impl, operation* op);

  // Helper fiunction to post a handler.
  BOOST_ASIO_DECL void do_post(implementation_type& impl,
      operation* op, bool is_continuation);

  BOOST_ASIO_DECL static void do_complete(io_service_impl* owner,
      operation* base, const boost::system::error_code& ec,
      std::size_t bytes_transferred);

  // The io_service implementation used to post completions.
  io_service_impl& io_service_;

  // Mutex to protect access to the array of implementations.
  boost::asio::detail::mutex mutex_;

  // Number of implementations shared between all strand objects.
#if defined(BOOST_ASIO_STRAND_IMPLEMENTATIONS)
  enum { num_implementations = BOOST_ASIO_STRAND_IMPLEMENTATIONS };
#else // defined(BOOST_ASIO_STRAND_IMPLEMENTATIONS)
  enum { num_implementations = 193 };
#endif // defined(BOOST_ASIO_STRAND_IMPLEMENTATIONS)

  // Pool of implementations.
  scoped_ptr<strand_impl> implementations_[num_implementations];


<think>我们正在讨论的是Asio库中的scheduler类的do_run_one方法。Asio是一个跨平台的C++库,用于网络和底层I/O编程,其核心是提供异步I/O模型。scheduler类属于Asio内部实现细节,位于detail命名空间下,通常用户不会直接使用,但了解其机制有助于深入理解Asio的工作原理。 根据用户的问题,我们需要解释`detail::scheduler::do_run_one`方法的作用和使用场景。 ### 1. `do_run_one`方法的作用 `do_run_one`是Asio事件循环的核心部分,其主要作用是从调度器的任务队列中取出一个待执行的任务(或操作)并执行它。具体包括: - **检查任务队列**:查看是否有待处理的handler(即回调函数)。 - **执行任务**:如果队列中有任务,则取出一个并执行。 - **处理空队列**:如果队列为空,则可能进入等待状态(取决于运行模式)。 ### 2. 使用场景 `do_run_one`通常被Asio的内部调度机制调用,特别是在单线程或多线程环境中运行事件循环时。以下场景会用到它: - **单线程事件循环**:在`io_context::run()`或`io_context::run_one()`中,最终会调用`do_run_one`来执行任务。 - **多线程环境**:当多个线程同时运行`io_context::run()`时,每个线程都会尝试从共享的任务队列中取出任务执行,此时`do_run_one`负责线程安全的取任务和执行。 ### 3. 代码逻辑分析(以Asio 1.24.0为例) 在Asio的源码中,`scheduler::do_run_one`的实现位于`scheduler.ipp`文件中。其伪代码逻辑如下: ```cpp std::size_t scheduler::do_run_one( // 参数可能包括线程上下文和等待条件等 ) { if (有任务在队列中) { // 从队列中取出一个任务 operation* op = dequeue_one_task(); if (op) { // 执行任务 op->complete(); // 调用handler return 1; // 表示执行了一个任务 } } return 0; // 没有任务执行 } ``` 实际代码更复杂,涉及线程安全、等待新任务、避免竞争等。 ### 4. 关键点 - **线程安全**:在多线程环境下,`do_run_one`使用互斥锁或原子操作来保证任务队列的访问安全。 - **任务窃取**:在某些实现中,当线程自己的任务队列为空时,可能会尝试从其他线程的任务队列中窃取任务(work-stealing),以提高并发性能。 ### 5. 用户注意事项 由于`detail::scheduler`是Asio内部实现,用户通常不应直接调用或依赖这些细节。用户应使用公开接口,如`io_context::run()`。 ### 6. 常见问题 - **任务堆积**:如果任务执行时间过长,可能导致其他任务延迟。 - **线程饥饿**:在多线程环境中,如果任务分配不均,某些线程可能长时间处于空闲状态。 --- ### 总结 `asio::detail::scheduler::do_run_one`是Asio事件循环中执行单个任务的核心方法。它负责从任务队列中安全地取出一个任务并执行,是Asio异步机制的关键组成部分。用户应通过`io_context`的公开接口来使用事件循环,而不直接调用内部方法。 §§相关问题§§ 1. Asio库中`io_context::run()`和`io_context::poll()`有什么区别? 2. Asio的任务调度机制如何实现线程安全? 3. 如何优化Asio在多线程环境下的性能? 4. Asio中的任务队列(task queue)是如何管理的?</think>### Asio `detail::scheduler::do_run_one` 方法解析 `asio::detail::scheduler::do_run_one` 是 Asio I/O 服务调度的核心方法,负责**从任务队列中取出并执行单个异步操作**。其设计目标是实现高效的事件驱动和任务调度机制。 --- ### 一、核心作用 1. **任务调度中枢** - 从 `scheduler` 的任务队列(`op_queue_`)中取出一个待执行的异步操作(`operation`)[^1] - 执行操作的 `complete()` 方法,触发用户注册的回调函数 - 确保任务在关联的 I/O 线程中执行 2. **事件循环基础** - 作为 `io_context::run()`/`run_one()` 的底层实现 - 在单次循环中处理一个 I/O 事件或定时器到期事件 3. **线程安全控制** - 通过原子操作和互斥锁管理任务队列的并发访问 - 支持多线程环境下安全的任务窃取(work stealing) --- ### 二、源码实现(Asio 1.24.0) #### 关键代码路径:`asio/detail/impl/scheduler.ipp` ```cpp std::size_t scheduler::do_run_one( mutex::scoped_lock& lock, // 队列锁 scheduler::thread_info& this_thread, const asio::error_code& ec // 错误状态 ) { // 1. 检查任务队列 operation* op = op_queue_.front(); if (!op) { // 队列为空时尝试窃取其他线程的任务 op = find_op(lock); if (!op) return 0; // 无任务可执行 } // 2. 从队列移除任务 op_queue_.pop(); // 3. 检查任务是否可取消 if (op->cancelled() != 0) { // 取消的任务直接回收资源 post_immediate_completion(op, false); return 1; } // 4. 执行任务(关键步骤) lock.unlock(); // 解锁以允许并发 op->complete(this, ec, 0); // 触发用户回调 lock.lock(); // 重新加锁 return 1; } ``` #### 关键步骤解析: 1. **任务获取** - `op_queue_.front()` 获取队列头部任务 - `find_op()` 实现**工作窃取**(work stealing),当本地队列为空时从其他线程队列偷取任务 2. **任务取消检查** - 通过 `op->cancelled()` 检测任务是否被取消 - 被取消的任务直接进入资源回收流程 3. **任务执行** - 执行前**显式解锁**(`lock.unlock()`)避免阻塞其他线程 - 调用 `op->complete()` 执行用户注册的回调函数 - 完成后重新加锁保证队列状态一致 --- ### 三、使用场景 1. **单次事件处理** ```cpp asio::io_context io; // ... 注册异步操作 io.run_one(); // 内部调用 do_run_one ``` - 处理单个就绪的 I/O 事件或定时器 2. **自定义事件循环** ```cpp while (!stopped) { size_t n = scheduler_.do_run_one(lock, this_thread, ec); if (n == 0) wait_for_work(); // 无任务时等待 } ``` - 实现非阻塞式轮询或混合事件驱动模型 3. **多线程调度** - 每个 I/O 线程通过 `do_run_one` 并行处理任务 - 工作窃取机制平衡线程负载 --- ### 四、设计要点 1. **性能优化** - **无锁设计**:任务执行时释放锁,减少线程竞争 - **批量执行**:外部循环可扩展为 `do_run_many()` 批量处理任务 2. **异常安全** - `complete()` 调用被 `try-catch` 包裹,确保异常不扩散到调度器 3. **与 `epoll`/`kqueue` 集成** - 当无任务时,通过 `epoll_wait` 阻塞等待 I/O 事件 - 事件就绪后通过 `do_run_one` 分发到对应 handler --- ### 五、典型问题与解决 1. **任务饥饿** - **现象**:高优先级任务阻塞低优先级任务 - **解决**:使用 `strand` 包装器序列化相关任务 2. **回调执行延迟** - **原因**:单个任务执行时间过长 - **优化**: ```cpp // 在回调中分解长任务 void handler() { do_partial_work(); // 重新提交剩余工作到队列 post([] { continue_work(); }); } ``` 3. **多线程竞争** - **场景**:并发修改任务队列 - **机制**:通过 `mutex::scoped_lock` 保证原子性 --- ### 总结 `do_run_one` 是 Asio 异步调度的原子操作: 1. **任务驱动**:衔接 I/O 事件与用户回调 2. **线程协同**:通过工作窃取实现负载均衡 3. **性能基石**:解锁执行策略最大化并发度 掌握其机制对实现高性能网络服务至关重要。
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