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libwebsockets 多线程环境下 pollfd 操作线程安全问题分析

2025-06-10 15:42:04作者:滕妙奇

背景介绍

libwebsockets 是一个轻量级的 C 语言 WebSocket 库,广泛应用于高性能网络通信场景。在实际生产环境中,开发者经常需要将其作为高并发客户端使用,这就涉及到多线程环境下的线程安全问题。

问题现象

在 libwebsockets 4.3.3 版本中,当多个线程同时对不同的 WebSocket 连接调用 lws_callback_on_writable 函数时,经过长时间的性能测试后,程序会在 _lws_change_pollfd 函数中的断言处崩溃:

assert(wsi->position_in_fds_table < (int)pt->fds_count);

问题根源分析

1. 文件描述符表操作机制

libwebsockets 使用一个文件描述符表(fds 数组)来管理所有连接。当删除一个连接时,会调用 __remove_wsi_socket_from_fds 函数,该函数会将待删除的元素与数组最后一个元素交换位置,然后删除最后一个元素。

2. 多线程竞争条件

问题发生在以下场景:

  1. 线程 A 正在为最新建立的连接调用 lws_callback_on_writable
  2. 同时线程 B 正在销毁另一个连接

由于 fds 数组的交换操作不是原子性的,且 _lws_change_pollfd 函数中的断言检查没有适当的锁保护,导致在检查 position_in_fds_table 时可能遇到已经被交换或删除的元素,从而触发断言失败。

解决方案

1. 锁保护机制优化

通过分析代码,我们发现虽然 __remove_wsi_socket_from_fds 函数中已经有锁保护,但 _lws_change_pollfd 函数中的断言检查缺乏相应的锁保护。正确的做法是在访问共享数据结构前获取锁:

lws_pt_lock(pt, __func__);
assert(wsi->position_in_fds_table < (int)pt->fds_count);
/* 其他操作 */
lws_pt_unlock(pt);

2. 线程安全函数选择

虽然 libwebsockets 提供了线程安全的 lws_cancel_service_pt 函数,但直接使用 lws_callback_on_writable 在性能上更有优势。通过适当的锁保护,可以安全地使用后者。

性能考量

在优化后的代码中,我们需要注意:

  1. 锁的粒度要尽可能小,只在必要时持有锁
  2. 避免在锁保护区域内进行耗时操作
  3. 保持锁获取和释放的对称性

经过测试,优化后的代码在 500,000 次调用(平均每秒 10 次,每次调用持续时间约 110 秒)的性能测试中表现稳定。

最佳实践建议

  1. 在多线程环境中使用 libwebsockets 时,确保正确配置 LWS_MAX_SMP 参数
  2. 对于高并发场景,考虑使用每个连接独立线程的架构
  3. 定期检查 libwebsockets 的更新,获取最新的线程安全修复
  4. 在性能关键路径上,优先使用直接操作而非间接通知机制

总结

libwebsockets 作为高性能 WebSocket 库,在多线程环境下需要特别注意共享数据结构的线程安全问题。通过对 _lws_change_pollfd 函数的锁保护优化,可以有效解决文件描述符表操作的竞争条件问题,同时保持良好的性能表现。开发者在使用时应当理解底层机制,合理设计线程模型,确保系统的稳定性和高性能。

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