SRS之StateThreads学习

最近在看SRS的源码。SRS是基于协程开发的，底层使用了StateThreads。所以为了充分的理解SRS源码，需要先学习一下StateThreads。这里对StateThreads的学习做了一些总结和记录。

StateThreads是什么

StateThreads是一个用户级线程库，用于多线程编程。它提供了一种轻量级的线程模型，允许开发人员以更简单的方式编写并发程序。

StateThreads有什么用

StateThreads 的主要目标是提供一种高效的用户级线程模型，以减少线程切换和上下文切换的开销。它采用协作式调度策略，即线程在主动释放执行权之前不会被抢占。这种方式可以减少线程切换的开销，但也需要开发人员在适当的时机主动释放执行权，以避免长时间的阻塞导致程序响应性下降。

StateThreads 提供了一组简单的函数和宏，用于创建和管理线程、同步和通信等操作。它支持线程的创建、销毁、休眠、唤醒等基本操作，以及互斥锁、条件变量、信号量等同步机制。开发人员可以使用这些函数和宏来编写并发程序，而不需要直接操作操作系统提供的线程和同步原语。

总的来说，StateThreads是一个高性能、高并发、高扩展性和可读性的网络服务器架构。

StateThreads怎么用

下载

git clone -b srs https://github.com/ossrs/state-threads.git

编译

make linux-debug

编译完成后，将头文件导入需要使用到StateThreads的项目。并在编译项目时链接st库即可。

使用示例

示例一

下面是用StateThreads实现的一个简单的服务，可以监听客户端的连接。

#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <st.h>

#define LISTEN_PORT 8000

#define ERR_EXIT(m) \
  do                \
  {                 \
    perror(m);      \
    exit(-1);       \
  } while (0)

void *client_thread(void *arg)
{
  st_netfd_t client_st_fd = (st_netfd_t)arg;
  // 用于获取与 st_netfd_t 对象关联的文件描述符（File Descriptor）。它返回一个整数值，表示文件描述符的值。
  // 将 st_netfd_t 对象转换为普通的文件描述符
  int client_fd = st_netfd_fileno(client_st_fd);

  sockaddr_in client_addr;
  socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
  // 获取与套接字连接的对端的地址信息
  int ret = getpeername(client_fd, (sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);
  if (ret == -1)
  {
    printf("[WARN] Failed to get client ip: %s\n", strerror(ret));
  }

  char ip_buf[INET_ADDRSTRLEN];
  // 内存区域清零
  memset(ip_buf, 0, sizeof(ip_buf));
  inet_ntop(client_addr.sin_family, &client_addr.sin_addr, ip_buf,
            sizeof(ip_buf));

  while (1)
  {
    char buf[1024] = {0};
    // 从给定的套接字中读取指定字节数的数据，并将其存储在提供的缓冲区 buf 中
    ssize_t ret = st_read(client_st_fd, buf, sizeof(buf), ST_UTIME_NO_TIMEOUT);
    if (ret == -1)
    {
      printf("client st_read error\n");
      break;
    }
    else if (ret == 0)
    {
      printf("client quit, ip = %s\n", ip_buf);
      break;
    }

    printf("recv from %s, data = %s", ip_buf, buf);

    ret = st_write(client_st_fd, buf, ret, ST_UTIME_NO_TIMEOUT);
    if (ret == -1)
    {
      printf("client st_write error\n");
    }
  }
}

void *listen_thread(void *arg)
// 监听
{
  while (1)
  {
    st_netfd_t client_st_fd =
        st_accept((st_netfd_t)arg, NULL, NULL, ST_UTIME_NO_TIMEOUT);
    if (client_st_fd == NULL)
    {
      continue;
    }

    printf("get a new client, fd = %d\n", st_netfd_fileno(client_st_fd));

    st_thread_t client_tid =
        st_thread_create(client_thread, (void *)client_st_fd, 0, 0);
    if (client_tid == NULL)
    {
      printf("Failed to st create client thread\n");
    }
  }
}

int main()
{
  // 用于设置 ST 库的事件系统。
  int ret = st_set_eventsys(ST_EVENTSYS_ALT);
  if (ret == -1)
  {
    printf("st_set_eventsys use linux epoll failed\n");
  }
  // st初始化
  ret = st_init();
  if (ret != 0)
  {
    printf("st_init failed. ret = %d\n", ret);
    return -1;
  }
  // 创建套接字
  int listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (listen_fd == -1)
  {
    ERR_EXIT("socket");
  }

  int reuse_socket = 1;

  // 设置套接字选项
  ret = setsockopt(listen_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse_socket,
                   sizeof(int));
  if (ret == -1)
  {
    ERR_EXIT("setsockopt");
  }

  struct sockaddr_in server_addr;            // 用于表示 IPv4 地址的结构体
  server_addr.sin_family = AF_INET;          // 地址族，一般为 AF_INET
  server_addr.sin_port = htons(LISTEN_PORT); // 端口
  server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // ipv4地址结构
  // 将套接字与特定的 IP 地址和端口号进行绑定
  ret =
      bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr));
  if (ret == -1)
  {
    ERR_EXIT("bind");
  }

  ret = listen(listen_fd, 128);
  if (ret == -1)
  {
    ERR_EXIT("listen");
  }
  // st_netfd_open_socket() 是 State Threads (ST) 库中的一个函数，用于创建一个 st_netfd_t 类型的文件描述符对象，以便进行异步 I/O 操作。
  st_netfd_t st_listen_fd = st_netfd_open_socket(listen_fd);
  if (!st_listen_fd)
  {
    printf("st_netfd_open_socket open socket failed.\n");
    return -1;
  }

  // 创建线程监听来一个建立连接的请求
  st_thread_t listen_tid =
      st_thread_create(listen_thread, (void *)st_listen_fd, 1, 0);
  if (listen_tid == NULL)
  {
    printf("Failed to st create listen thread\n");
  }

  while (1)
  {
    st_sleep(1);
  }

  return 0;
}

示例二

StateThreads创建多线程

#include <stdio.h>
#include <st.h>
#include <string>

void *do_calc(void *arg)
{
    int sleep_ms = (int)(long int)(char *)arg * 10;

    for (;;)
    {
        printf("in sthread #%dms\n", sleep_ms);
        st_usleep(sleep_ms * 1000);
    }

    return NULL;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    if (argc <= 1)
    {
        printf("Test the concurrence of state-threads!\n"
               "Usage: %s <sthread_count>\n"
               "eg. %s 10000\n",
               argv[0], argv[0]);
        return -1;
    }

    if (st_init() < 0)
    {
        printf("error!");
        return -1;
    }

    int i;
    int count = std::stoi(argv[1]);
    for (i = 1; i <= count; i++)
    {
        if (st_thread_create(do_calc, (void *)i, 0, 0) == NULL)
        {
            printf("error!");
            return -1;
        }
    }

    st_thread_exit(NULL);

    return 0;
}

关于StateThreads的运行原理，可以看文章《SRS开源直播服务 - StateThreads微线程框架学习》

SRS中的StateThreads

使用的源码为SRS4.0

系统架构图：



在SRS的源码中，StateThreads在srs_st_init()函数中完成初始化。具体的调用流程如下。

SRS的main函数在文件srs_main_server.cpp中。

srs_main_server.cpp

......
int main(int argc, char** argv)
{
    srs_error_t err = do_main(argc, argv);
    ......
}

srs_error_t do_main(int argc, char** argv)
{
    srs_error_t err = srs_success;

    // Initialize global or thread-local variables.
    if ((err = srs_thread_initialize()) != srs_success) {
        return srs_error_wrap(err, "thread init");
    }
    ......
}

srs_app_threads.cpp

......
srs_error_t srs_thread_initialize()
{
    srs_error_t err = srs_success;
    ......
    // Initialize ST, which depends on pps cids.
    if ((err = srs_st_init()) != srs_success) {
        return srs_error_wrap(err, "initialize st failed");
    }
    ......
}
......

srs_service_st.cpp

......
srs_error_t srs_st_init()
{
  ......
    int r0 = 0;
    if((r0 = st_init()) != 0){
        return srs_error_new(ERROR_ST_INITIALIZE, "st initialize failed, r0=%d", r0);
    }
  ......

在srs_service_st.cpp中调用StateThreads库的初始化函数，完成StateThreads的初始化。