8. 定时器 / 信号处理

标签：定时器 epoll 信号处理 timer lst 事件 Utils

有关定时器的详细内容，见10. 定时器

简而言之，web 服务器需要处理定时事件，如定期检测一个客户连接的活动状态。服务器程序通常管理着众多定时事件，有效地组织这些定时事件，使其在预期的时间被触发且不影响服务器的主要逻辑，对于服务器的性能有至关重要的影响。为此，我们要将每个定时事件分别封装成定时器，并使用某种容器类数据结构，如链表、排序链表、时间轮，将所有定时器串联起来，以实现对定时事件的统一管理。

项目中的定时器实现在 timer 文件夹中：

timer
  |------ lst_timer.cpp
  |------ lst_timer.h
  |------ README.md

主要功能是实现了一个基于双向链表的定时器管理系统（sort_timer_lst类）。下面具体分析一下每个类的作用，lst_timer.h 中主要定义了三个类：

lst_timer.h
  |------ util_timer
  |------ sort_timer_lst
  |------ Utils

util_timer 类，主要实现了一个定时器类，类的内部成员包括一个定时器的过期时间，指向前一个定时器的指针和指向后一个定时器的指针；
sort_timer_lst，这是一个双向链表，用于管理定时器，链表的每一个节点代表一个定时器，定时器按照到期时间升序排序，类的操作包括：添加、删除定时器，调整定时器在链表中的位置，tick()函数：用于删除到期的定时器节点；
Utils类，用于管理定时任务、信号处理等，在服务器中承担了辅助管理功能，为高效的事件驱动服务器提供了一些重要的工具和支持，比如两个静态成员变量：

static int *u_pipefd;
static int u_epollfd;

前者是一个用于存储管道的文件描述符数组，在信号处理函数 sig_handler 中，将接收到的信号写入 u_pipefd[1] ，而事件主循环监听管道另一端u_pipefd[0] 的可读事件，以异步处理信号；

后者用于存储 epoll实例的文件描述符，整个服务器中共享一个 epoll实例，通过 u_epollfd 监控所有连接的事件。

除此之外还有一些其他函数，比如：

addfd 用于将 fd 注册到内核事件表；
sig_handler 用于将接收到的信号写入管道；
addsig 用于设置 sig 信号的信号处理函数；
timer_handler 用于调用定时器链表的 tick()，删除到期的定时器，并重置定时器信号。

`epoll` 实例和事件存储

这个应该是在下一节描述的内容，但是因为这章的内容涉及到了这部分，所以就提前写了。

当调用 epoll_create 或 epoll_create1 创建 epoll 实例时，系统会分配一个内核空间的数据结构，这一数据结构被称为内核事件表（epoll实例），用于管理和存储事件。

使用 epoll_ctl 函数可以将文件描述符和对应的事件注册到 epoll 实例中。例如，将套接字 fd 注册到 epoll 实例 epollfd 时，可以设置需要监听的事件类型，如 EPOLLIN（可读）、EPOLLOUT（可写）、EPOLLERR（错误）等。

epoll 的核心机制是事件触发。当文件描述符的状态发生（边缘触发）变化且与注册的事件匹配时，epoll 会将该事件标记为就绪。调用 epoll_wait 时，epoll 会返回所有当前就绪的事件，供应用程序处理。

在 epoll 实例中会存储所有注册的文件描述符和事件，并在事件就绪时通过 epoll_wait 返回。这样的设计让 epoll 能够高效地处理高并发连接，并且仅在事件发生时返回，避免了不必要的轮询。

为什么要重置定时器？

/* 处理定时任务，并重新设置定时器，以确保定时信号（SIGALRM）能够持续触发 */
void Utils::timer_handler() {
    sigset_t mask;
    sigemptyset(&mask);
    sigaddset(&mask, SIGALRM);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);

    m_timer_lst.tick();                         /* 调用定时器链表 m_timer_lst 的 tick 方法，处理所有到期的定时器 */
    alarm(m_TIMESLOT);                          /* 使用 alarm 函数重新设置定时器，使得下一个 SIGALRM 信号在 m_TIMESLOT 秒后触发 */

    sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &mask, NULL);
}

在 Utils::timer_handler 中重新设置定时器的目的是持续触发 SIGALRM 信号，

定时任务的周期性执行：

timer_handler 中的 m_timer_lst.tick() 用于处理到期的定时器任务。通过调用 tick，可以遍历定时器链表，检查并执行所有到期的定时器任务。
每当 SIGALRM 信号触发时，都会调用 timer_handler 进行一次定时任务处理。如果不重新设置定时器，SIGALRM 信号只会触发一次，定时任务将无法周期性执行。

使用 alarm(m_TIMESLOT) 来重新设置定时器：

alarm(m_TIMESLOT) 将使 SIGALRM 信号在 m_TIMESLOT 秒后再次触发。
通过每次在 timer_handler 中重新调用 alarm，实现了一个循环定时机制：定时器会在每 m_TIMESLOT 秒触发 SIGALRM 信号，系统捕获到信号后，timer_handler 会被调用，再次处理到期任务并重新设定定时器。

前置声明

class Utils;
/* 定时器回调函数 */
void cb_func(client_data *user_data) {

    if (!user_data) {
        std::cerr << "cb_func received null user_data" << std::endl;
        return;
    }

    /* 从 epoll 中删除文件描述符 */
    if (epoll_ctl(Utils::u_epollfd, EPOLL_CTL_DEL, user_data->sockfd, nullptr) == -1) {
        std::cerr << "epoll_ctl DEL failed: " << strerror(errno) << std::endl;
    }

    assert(user_data);

    if (close(user_data->sockfd) == -1) {
        std::cerr << "close failed: " << strerror(errno) << std::endl;
    }

    http_conn::m_user_count--;                  /* 减少用户计数 */
}

在函数 cb_func 上方声明 class Utils; 的目的是为了向编译器前置声明Utils 类。这样做的原因是：Utils::u_epollfd 是 Utils 的静态成员，静态成员的访问不依赖于 Utils 类的实例，因此可以直接通过 Utils::u_epollfd 访问这个静态变量，前置声明通常用于减少编译依赖。前置声明告诉编译器，Utils 是一个类，但不需要立即包含其完整的定义。这样做可以减少编译时间。

`shutdown`和 `close`的区别

shutdown 用于关闭连接的传输方向，而不直接释放文件描述符。可以通过设置不同的标志来选择关闭的方向。
close 是释放文件描述符的操作，无论它是套接字、文件还是其他资源。当文件描述符的引用计数降到零时，close 会彻底终止套接字连接。

统一事件源

什么是统一事件源？

统一事件源是一种设计模式/机制，用于集中处理不同类型的事件，如 I/O 事件、信号事件、定时器事件等。在统一事件源的设计中，所有类型的事件（如网络连接、定时任务、信号等）都被封装成文件描述符，并被统一注册到 epoll 等 I/O 多路复用接口上。这样，程序只需监听 epoll 的事件，不论是网络连接、信号还是定时任务等事件，均可以通过 epoll_wait 等接口统一管理，避免了单独为每种事件类型编写独立的处理逻辑。

统一事件源的好处？

通过将不同类型的事件统一到同一个事件处理机制（通常是epoll），可以简化事件的管理和处理流程，从而提升系统的性能和可维护性。

改进

Utils::timer_handler()函数中，如果 SIGALRM 信号在 tick 方法执行期间再次触发，可能导致定时器处理函数被重入，导致数据竞争或逻辑错误。
改进： 在处理定时器前，临时屏蔽 SIGALRM 信号，确保 tick 方法不会被中断。

void Utils::timer_handler() {
    sigset_t mask;
    sigemptyset(&mask);
    sigaddset(&mask, SIGALRM);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);

    m_timer_lst.tick();                         /* 调用定时器链表 m_timer_lst 的 tick 方法，处理所有到期的定时器 */
    alarm(m_TIMESLOT);                          /* 使用 alarm 函数重新设置定时器，使得下一个 SIGALRM 信号在 m_TIMESLOT 秒后触发 */

    sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &mask, NULL);
}

show_error 函数用于向客户端发送错误信息，并随后关闭连接，send 可能会因为网络问题而失败（返回 -1），添加检查可以帮助诊断发送失败的情况。在调用 close 之前，可以使用 shutdown(connfd, SHUT_WR) 先优雅关闭连接的写传输方向，然后再关闭连接，避免数据丢失并确保错误信息成功发送。

/* 向客户端发送错误信息，并关闭相应的连接 */
void Utils::show_error(int connfd, const char *info)
{
    ssize_t bytes_sent = send(connfd, info, strlen(info), 0);

    if (bytes_sent == -1) {
        std::cerr << "send failed: " << strerror(errno) << std::endl;
    }
              
    /* 同时关闭连接的读和写两个方向 */
    if (shutdown(connfd, SHUT_RDWR) == -1) {
        std::cerr << "shutdown failed: " << strerror(errno) << std::endl;
    }

    if (close(connfd) == -1) {
        std::cerr << "close failed: " << strerror(errno) << std::endl;
    }
}

这样做的好处有：

如果服务器在 send 发送数据后立刻调用 close，由于网络传输存在延迟，客户端接收数据的速度可能较慢。服务器在客户端完成接收之前关闭连接，剩余数据可能会丢失。使用 shutdown(connfd, SHUT_WR)，服务器可以等待客户端确认已接收完所有数据，避免因直接 close 导致的传输中断。
TCP 连接是双向的，shutdown 可以确保双方同步地进行连接关闭的过程。而直接 close 时，连接会立即释放，可能对方仍认为连接有效，导致“半关闭”状态。使用 shutdown(connfd, SHUT_WR) 表示服务器不再发送数据，但可以接收数据。这样，服务器可以等待客户端的 FIN，完成四次握手的完整关闭，确保数据安全传输。

标签：定时器,epoll,信号处理,timer,lst,事件,Utils
From： https://blog.csdn.net/Teriri_/article/details/143490797

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为什么要重置定时器？

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