GMainLoop的實現原理和代碼模型

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做linux程式開發有一段時間了，也使用過好幾個UI庫，包括gtk，qt，還有clutter。其中感覺最神秘的，就是所謂的“主事件迴圈"，在qt中，就是QApplication，gtk中是gtk_main()，clutter中則是clutter_main()。這些事件迴圈對象，都被封裝的很“嚴密"，使用的時候，代碼都很簡單。而我們在編寫應用程式的過程中，通常也只需要重載widget的event處理函數（或者是處理event對應的訊號），至於event是怎樣產生和傳遞的，這就是個謎。

 

最近時間比較充裕，仔細研究了一下事件迴圈，參考的代碼是glib中的GMainLoop。gtk_main()和clutter_main()，都是基於GMainLoop的。另外，其實事件迴圈的概念，也不僅僅使用在UI編程中，在網路編程中，同樣大量的使用，可以這樣說，event loop，是編程模型中，最基本的一個概念。可惜在大學教材中，從來沒有看到過這個概念，玩單片機的時候，也用不到這個概念，只有在有作業系統的環境下，才會有event loop。

 

event loog的代碼基礎，還要用到一個概念--I/O的多工。目前常用的api介面，有3個，select，poll以及epoll。glib是一個跨平台的庫，在linux上，使用的是poll函數，在window上，使用的是select。而epoll這個介面，在linux2.6中才正式推出，它的效率，比前兩者更高，在網路編程中大量使用。而本質上，這三個函數，其實是相同的。

 

如果對I/O多工還不瞭解，請先自行google學習。下面，僅僅給出一個使用poll介面的代碼模型片段。

 

...<br />struct pollfd fds[2];<br />int timeout_msecs = 500;<br />int ret;<br />int i;<br />/* Open STREAMS device. */<br />fds[0].fd = open("/dev/dev0", ...);<br />fds[1].fd = open("/dev/dev1", ...);<br />fds[0].events = POLLOUT | POLLWRBAND;<br />fds[1].events = POLLOUT | POLLWRBAND;<br />while(1) {<br />ret = poll(fds, 2, timeout_msecs);<br />if (ret > 0) {<br /> /* An event on one of the fds has occurred. */<br /> for (i=0; i<2; i++) {<br />if (fds[i].revents & POLLWRBAND) {<br />/* Priority data may be written on device number i. */<br />...<br />}<br />if (fds[i].revents & POLLOUT) {<br />/* Data may be written on device number i. */<br />...<br />}<br />if (fds[i].revents & POLLHUP) {<br />/* A hangup has occurred on device number i. */<br />...<br />}<br /> }<br />}<br />}<br />... 

 

 

上面這個代碼，我們可以把它拆分成3部分：

1. 準備要檢測的檔案集合（不是簡單的準備“檔案描述符"的集合，而是準備struct pollfd結構體的集合。這就包括了檔案描述符，以及希望監控的事件，如可讀/可寫/或可執行其他動作等)。

2. 執行poll，等待事件發生（檔案描述符對應的檔案可讀/可寫/或可執行其他動作等）或者是函數逾時返回。

3. 遍曆檔案集合（struct pollfd結構體的集合)，判斷具體是哪些檔案有“事件"發生，並且進一步判斷是何種“事件"。然後，根據需求，執行對應的操作（上面的代碼中，用...表示的對應操作)。

其中2和3對應的代碼，都放在一個while迴圈中。而在3中所謂的“對應的操作"，還可以包括一種“退出"操作，這樣的話，就可以從while迴圈中退出，這樣的話，整個進程也有機會正常結束。

 

再次提醒一下，請先把上面這段代碼看懂，最好是有過實際的使用經驗，這樣更有助於理解。

 

下面開始討論重點。這段代碼僅僅是示範，所以它很簡單。但是，從另外一個角度來看，這個程式碼片段又很死板，尤其是對於新手或者是沒有I/O多工實際使用經驗的朋友來說，很容易被這段代碼模型“框住"。它還能變得更靈活嗎？怎樣才能變得更靈活？詳細解釋之前，先提幾個小問題。

1. 前面的代碼，僅開啟了2個檔案，並且傳遞給poll函數。如果，在程式運行過程中，想動態增加或者刪除poll函數監控的檔案，怎麼辦？

2. 前面的代碼，設定的逾時時間，是固定的。假設，某個時刻，有100個檔案需要被監控，而針對這100個不同的檔案，每個檔案期望設定的逾時時間都不一樣，怎麼辦？

3. 前面的代碼，當poll函數返回，對檔案集合進行遍曆的時候，是逐個進行判斷並且執行“對應的操作"。如果，有100個檔案被監控，當poll返回時，這100個檔案，都滿足條件，可以進行“對應的操作"，其中的50個檔案的“對應的操作"很耗時間，但是並不是這麼緊急（可以稍後再處理，比如等到下一輪poll返回時再處理），而另外50個檔案的“對應的操作"需要立即執行，並且很快（在下一次poll的時候)又會有新的事件發生並且滿足判斷時的條件，怎麼辦？

 

對第1個問題，可以想到，需要對所有的檔案（struct pollfd）做一個統一的管理，需要有添加和刪除檔案的功能。用物件導向的思想來看，這就是一個類，暫且叫做類A。

對第2個問題，可以想到，還需要對每一個被監控的檔案（struct pollfd），做更多的控制。也可以用一個類來封裝被監控的檔案，對這個檔案進行管理，在該對象中，包含了struct pollfd結構體，該類還可以提供對應的檔案所期望的逾時時間。暫且叫做類B。

對第3個問題，可以考慮為每一個被監控的檔案設定一個優先順序，然後就可以根據優先順序優先執行更“緊急"的“對應的操作"。這個優先順序資訊，也可以儲存在類B中。設計出了類B之後，類A就不再是直接統一管理檔案了，而是變成統一管理類B，可以看成是類B的一個容器類。

 

 

有了這3個解答之後，就可以對這個程式碼片段添油加醋，重新組裝，讓它變得更靈活了。glib中的GMainLoop，做的就是這樣的事情，而且，它做的事情，除了這3個解答中描述的內容外，還有更讓人“吃驚的驚喜"。

 

:-)，這裡又要提醒一下了，下面將對GMainLoop進行描述，所以，最好是先使用一下GMainLoop，包括其中的g_timeout_source_new(guint interval)，g_idle_source_new(void)以及g_child_watch_source_new(GPid pid)。順便再強調一下，學習編程的最好的辦法，就是看代碼，而且是看高品質的代碼。

 

後面的講解，主要是從原理上來介紹GMainLoop的實現機制，並不是代碼的情景分析。代碼的詳細閱讀，還是需要自己老老實實的去實踐的。後面的這些介紹，只是為了協助大家更容易的理解原始碼。

 

glib的主事件迴圈架構，由3個類來實現，GMainLoop，GMainContext和GSource，其中的GMainLoop僅僅是GMainContext的一個外殼，最重要的，還是GMainContext和GSource。GMainContext就相當於前面提到的類A，而GSource就相當於前面提到的類B。從原理上講，g_main_loop_run(GMainLoop *loop)這個函數的內部實現，和前面程式碼片段中的while迴圈，是一致的。（還有一點要說明的，在多線程的環境下，GMainLoop的代碼實現顯得比較複雜，為了學習起來更容易些，可以先不考慮GMainLoop中線程相關的代碼，這樣的話，整體結構就和前面的程式碼片段是一致的。後面的講解以及程式碼片段，都略去了線程相關的代碼，這並不影響對event loop的學習和理解）。

 

1.GSource----GSource相當於前面提到的類B，它裡面會儲存優先順序資訊，同時，GSource要管理對應的檔案（儲存struct pollfd結構體的指標，而且是以鏈表的形式儲存)，而且，GSource和被管理的檔案的對應關係，不是 1對1，而是 1對n，這個n，甚至可以是0（這就是一個“吃驚的驚喜"，後面會有更詳細的解釋)。GSource還必須提供3個重要的函數（從物件導向的角度看，GSource是一個抽象類別，而且有三個重要的純虛函數，需要子類來具體實現)，這3個函數就是：

  gboolean (*prepare)  (GSource *source, gint *timeout_);

  gboolean (*check)    (GSource *source);

  gboolean (*dispatch) (GSource *source, GSourceFunc callback, gpointer user_data);

 

再看一下前面程式碼片段中的3部分，這個prepare函數，就是要在第一部分被調用的，check和dispathch函數，就是在第3部分被調用的。有一點區別是，prepare函數，也要放到while迴圈中，而不是在迴圈之外（因為要動態增加或者刪除poll函數監控的檔案)。

 

prepare函數，會在執行poll之前被調用。該GSource中的struct pollfd是否希望被poll函數監控，就由prepare函數的傳回值來決定，同時，該GSource希望的逾時時間，也由參數timeout_返回。

check函數，在執行poll之後被調用。該GSource中的struct pollfd是否有事件發生，就由check函數的傳回值來描述（在check函數中可以檢測struct pollfd結構體中的返回資訊)。

dispatch函數，在執行poll和check函數之後被調用，並且，僅當對應的check函數返回true的時候，對應的dispatch函數才會被調用，dispatch函數，就相當於“對應的操作"。

 

2.GMainContext----GMainContext是GSource的容器，GSource可以添加到GMainContext裡面（間接的就把GSource中的struct pollfd也添加到GMainContext裡面了)，GSource也可以從GMainContext中移除（間接的就把GSource中的struct pollfd從GMainContext中移除了）。GMainContext可以遍曆GSource，自然就有機會調用每個GSource的prepare/check/dispatch函數，可以根據每個GSource的prepare函數的傳回值來決定，是否要在poll函數中，監控該GSource管理的檔案。當然可以根據GSource的優先順序進行排序。當poll返回後，可以根據每個GSource的check函數的傳回值來決定是否需要調用對應的dispatch函數。

 

下面給出關鍵的程式碼片段，其中的g_main_context_iterate(）函數，就相當於前面程式碼片段中的迴圈體中要做的動作。迴圈的推出，則是靠loop->is_running這個標記變數來標識的。

 

 

void g_main_loop_run (GMainLoop *loop)<br />{<br /> GThread *self = G_THREAD_SELF;<br /> g_return_if_fail (loop != NULL);<br /> g_return_if_fail (g_atomic_int_get (&loop->ref_count) > 0);<br /> g_atomic_int_inc (&loop->ref_count);<br /> loop->is_running = TRUE;<br /> while (loop->is_running)<br /> g_main_context_iterate (loop->context, TRUE, TRUE, self);<br /> UNLOCK_CONTEXT (loop->context);<br /> g_main_loop_unref (loop);<br />}<br />static gboolean g_main_context_iterate(GMainContext *context, gboolean block,<br />gboolean dispatch, GThread *self) {<br />gint max_priority;<br />gint timeout;<br />gboolean some_ready;<br />gint nfds, allocated_nfds;<br />GPollFD *fds = NULL;<br />UNLOCK_CONTEXT (context);<br />if (!context->cached_poll_array) {<br />context->cached_poll_array_size = context->n_poll_records;<br />context->cached_poll_array = g_new (GPollFD, context->n_poll_records);<br />}<br />allocated_nfds = context->cached_poll_array_size;<br />fds = context->cached_poll_array;<br />UNLOCK_CONTEXT (context);<br />g_main_context_prepare(context, &max_priority);<br />while ((nfds = g_main_context_query(context, max_priority, &timeout, fds,<br />allocated_nfds)) > allocated_nfds) {<br />LOCK_CONTEXT (context);<br />g_free(fds);<br />context->cached_poll_array_size = allocated_nfds = nfds;<br />context->cached_poll_array = fds = g_new (GPollFD, nfds);<br />UNLOCK_CONTEXT (context);<br />}<br />if (!block)<br />timeout = 0;<br />g_main_context_poll(context, timeout, max_priority, fds, nfds);<br />some_ready = g_main_context_check(context, max_priority, fds, nfds);<br />if (dispatch)<br />g_main_context_dispatch(context);</p><p>LOCK_CONTEXT (context);<br />return some_ready;<br />} 

 

 

仔細看一下g_main_context_iterate()函數，也可以把它劃分成3個部分，和前面程式碼片段的3部分對應上。

1. 第一部份，準備要檢測的檔案集合

 

g_main_context_prepare(context, &max_priority);<br />while ((nfds = g_main_context_query(context, max_priority, &timeout, fds,<br />allocated_nfds)) > allocated_nfds) {<br />LOCK_CONTEXT (context);<br />g_free(fds);<br />context->cached_poll_array_size = allocated_nfds = nfds;<br />context->cached_poll_array = fds = g_new (GPollFD, nfds);<br />UNLOCK_CONTEXT (context);<br />} 

首先是調用g_main_context_prepare(context, &max_priority)，這個就是遍曆每個GSource，調用每個GSource的prepare函數，選出一個最高的優先順序max_priority，函數內部其實還計算出了一個最短的逾時時間。

然後調用g_main_context_query，其實這是再次遍曆每個GSource，把優先順序等於max_priority的GSource中的struct pollfd，添加到poll的監控集合中。

 

這個優先順序，也是一個“吃驚的驚喜"。按照通常的想法，檔案需要被監控的時候，會立刻把它放到監控集合中，但是有了優先順序這個概念後，我們就可以有一個“隱藏的背景工作"，g_idle_source_new(void)就是最典型的例子。

 

2. 第二部份，執行poll，等待事件發生。

if (!block)<br />timeout = 0;<br />g_main_context_poll(context, timeout, max_priority, fds, nfds); 

就是調用g_main_context_poll(context, timeout, max_priority, fds, nfds)，g_main_context_poll只是對poll函數的一個簡單封裝。

 

3. 第三部分，遍曆檔案集合（struct pollfd結構體的集合)，執行對應的操作。

some_ready = g_main_context_check(context, max_priority, fds, nfds);<br />if (dispatch)<br />g_main_context_dispatch(context); 

 

通常的想法，可能會是這種虛擬碼形式（這種形式也和前面程式碼片段的形式是一致的)

foreach(all_gsouce) {

    if (gsourc->check) {

    gsource->dispatch();

    }

}

 

實際上，glib的處理方式是，先遍曆所有的GSource，執行g_main_context_prepare(context, &max_priority)，調用每個GSource的check函數，然後把滿足條件的GSource（check函數返回true的GSource)，添加到一個內部鏈表中。

然後執行g_main_context_dispatch(context)，遍曆剛才準備好的內部鏈表中的GSource，調用每個GSource的dispatch函數。

 

ok，分析到此結束，總結一下，重點，首先是要先理解poll函數的使用方法，建立I/O多工概念，然後，建議看一下GMainContext的原始碼實現，這樣才有助於理解。