st(state-threads) coroutine和stack分析
st(state-threads)?https://github.com/winlinvip/state-threads
以及基于st的RTMP/HLS服務器：https://github.com/winlinvip/simple-rtmp-server
st是實現了coroutine的一套機制，即用戶態線程，或者叫做協程。將epoll（async，nonblocking socket）的非阻塞變成協程的方式，將所有狀態空間都放到stack中，避免異步的大循環和狀態空間的判斷。
關于st的詳細介紹，參考翻譯：http://blog.csdn.net/win_lin/article/details/8242653
我將st進行了簡化，去掉了其他系統，只考慮linux系統，以及i386/x86_64/arm/mips四種cpu系列，參考：https://github.com/winlinvip/simple-rtmp-server/tree/master/trunk/research/st
本文介紹了coroutine的創建和stack的管理。
STACK分配
Stack數據結構定義為：
[cpp]?view plaincopy
實際上vaddr是棧的內存開始地址，其他幾個地址下面分析。
棧的分配是在_st_stack_new函數，在st_thread_create函數調用，先計算stack的尺寸，然后分配棧。
[plain]?view plaincopy
上圖是棧分配后的結果，兩邊是REDZONE使用mprotect保護不被訪問（在DEBUG開啟后），extra是一個額外的內存塊，st_randomize_stacks開啟后會調整bottom和top，就是隨機的向右邊移動一點。
總之，最后使用的，對外提供的接口就是bottom和top，st_thread_create函數會初始化sp。stack對外提供的服務就是[bottom, top]這個內存區域。
THREAD初始化棧
開辟Stack后，st會對stack初始化和分配，這個stack并非直接就是thread的棧，而是做了以下分配：
[plain]?view plaincopy
分配如下：
[plain]?view plaincopy
也就是說：
ptds：這個是thread的private_data，是12個指針（ST_KEYS_MAX指定），參考st_key_create()。
trd：thread結構本身也是在這個stack中分配的。
pad+align：在trd之后是對齊和pad（_ST_STACK_PAD_SIZE指定）。
sp：這個就是thread真正的stack了。
coroutine必須要自己分配stack，因為setjmp保存的只是sp的值，而沒有全部copy棧，所以若使用系統的stack，各個thread之間longjmp時會導致棧混淆。參考：http://blog.csdn.net/win_lin/article/details/40948277
Thread啟動和切換
st的thread如何進入到指定的入口呢？
其實在第一次setjmp時，是初始化thread，這時候返回值是0，初始化完后就返回到調用函數繼續執行了。
調用函數會在其他地方調用longjmp到這個thread，這時候是從setjmp地方開始執行，返回值是非0，這時進入thread的主函數：_st_thread_main。
參考我改過的代碼：
[cpp]?view plaincopy
gdb調試，第一次setjmp時，返回值是0，調用堆棧是創建線程的堆棧，62行的代碼是st_thread_t trd = st_thread_create(thread_func, NULL, 1, 0);：
[cpp]?view plaincopy
從其他線程切換過來時，即longjmp過來時，返回值非0，調用堆棧是longjmp的堆棧，68行的代碼是st_thread_join(trd, NULL);：
[cpp]?view plaincopy
注意，雖然顯示都是thread_test這個函數過來，實際上函數行數已經不一樣了，gdb顯示的stk_size也是破壞了的，因為這個時候的棧是用的st自己開辟的棧了。
進入到_st_thread_main中后，會調用用戶指定的線程函數（這個函數里面會調用st函數setjmp，下次longjmp是到這個位置了）；從線程函數返回后，會調用st_thread_exit清理線程，然后切換到其他函數，直到完成最后一個函數就返回了。
[cpp]?view plaincopy
這個就是st的thread啟動和調度的過程。
第一次創建線程和setjmp后，會設置sp，即設置stack。也就是說，這個函數的所有stack信息在longjmp之后都是未知的了，這就是所有st的thread結束后，必須longjmp到其他的線程，或者退出，不能直接return的原因（因為沒法return了，頂級stack就是_st_thread_main）。
Thread退出
在st的thread中退出后，會切換到其他thread（st創建的線程stack是重新建立的，無法返回后繼續執行）。
st創建的thread，結束后會調用st_thread_exit，參考_st_thread_main的定義，這個就是thread執行的主要流程。
st在初始化st_init時，會把當前的線程當作_ST_FL_PRIMORDIAL，也就是初始化線程，這個線程若調用exit，等待其他thread完成后，會直接exit。實際上是沒有線程時會切換到idle線程：
[cpp]?view plaincopy
idle線程是在st_init時創建，也就是說st_init會創建一個idle線程（使用st_thread_create），以及直接創建一個_ST_FL_PRIMORDIAL線程（直接calloc）。idle線程的代碼：
[cpp]?view plaincopy
所有線程完成時就exit。
Thread初始線程
st的初始線程，或者叫做物理線程，primordial線程，是調用st_init的那個線程。一般而言，調用st的程序都是單線程，所以這個初始線程也就是那個系統的唯一的一個線程。
所有st的線程都是調用st_create_thread創建的，使用st自己開辟的stack；除了一種初始線程，沒有重新設置stack，這個就是初始線程（物理線程）。
參考st_init的代碼：
[cpp]?view plaincopy
在分配trd對象時，分配了_st_thread_t和keys兩個對象，可以參考前面對于stack的使用。keys用來做private_data，所以后面初始化private_data時是指向下一個thread。
創建后設置這個線程為_ST_FL_PRIMORDIAL，這個就是用來指明stack是否是st自己分配的：
[cpp]?view plaincopy
如果是初始線程（物理線程），那么stack是不釋放的，這個stack是NULL。
在調度時，不管stack是否是自己創建的，對于調度都沒有影響。stack如果是st自己創建的，只是在setjmp之后的context中修改sp的地址，這個時候longjmp會使用新的stack而已，對于longjmp的jmp_buf到底sp是自己創建的還是系統的，其實沒有區別。
所以初始線程（物理線程）也是作為一個st的thread被調度，沒有任何區別。
Thread生命周期
再整理下st整個線程的執行流程。
第一個階段，st_init創建idle線程和創建priordial線程（初始線程，物理線程，_ST_FL_PRIMORDIAL），這時候_st_active_count是1，也就是初始線程（調用st_init，也是物理線程）在運行，idle線程不算一個active的線程，它主要是做切換和退出。
第二個階段，可選的階段，用戶創建線程。調用st_thread_create時，會把_st_active_count遞增，并且加入線程隊列。譬如創建了一個線程；這時候st調度有兩個線程，一個是初始線程，一個是剛剛創建的線程。
第三個階段，初始線程切換，將控制權交給st。也就是初始線程，做完st_init和創建其他線程后，這個時候還沒有任何的線程切換。初始線程（物理線程）需要將控制權切換給st，可以調用st_sleep循環和休眠，或者調用st_thread_exit(NULL)等待其他線程結束。假設這個階段物理線程不進行切換，st將無法獲取控制權，程序會直接返回。
這么設計其實很完善，如果物理線程不exit，那么st的idle線程也不退出（認為有個初始線程還在跑）。如果初始線程直接退出，那么idle線程不會拿到控制權。如果初始線程調用st_thread_exit(NULL)，認為是物理線程也退出，那么idle會等所有線程完了再exit，相當于控制權交給st了。
或者說，可以在初始線程（物理線程）里面做各種的業務邏輯，譬如srs用初始線程更新各種數據，給api使用。或者可以直接創建線程后st_thread_exit，就等所有線程退出。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的st(state-threads) coroutine和stack分析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： 协程库st(state threads
- 下一篇： c++ 虚继承与继承的差异