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linux epoll机制

分类: linu内核和驱动  |  标签: select,poll,linux,epoll,IO多路复用  |  作者: u010657219 相关  |  发布日期 : 2015-11-07  |  热度 : 175°

在linux 没有实现epoll事件驱动机制之前,我们一般选择用select或者poll等IO多路复用的方法来实现并发服务程序。在linux新的内核中,有了一种替换它的机制,就是epoll。

select()和poll() IO多路复用模型

select的缺点:
1.单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制,通常是1024,当然可以更改数量,但由于select采用轮询的方式扫描文件描述符,文件描述符数量越多,性能越差;(在linux内核头文件中,有这样的定义:#define __FD_SETSIZE 1024)
2.内核 / 用户空间内存拷贝问题,select需要复制大量的句柄数据结构,产生巨大的开销;
3.select返回的是含有整个句柄的数组,应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件;
4.select的触发方式是水平触发,应用程序如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行IO操作,那么之后每次select调用还是会将这些文件描述符通知进程。
相比select模型,poll使用链表保存文件描述符,因此没有了监视文件数量的限制,但其他三个缺点依然存在。

假设我们的服务器需要支持100万的并发连接,则在__FD_SETSIZE 为1024的情况下,则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。除了进程间上下文切换的时间消耗外,从内核/用户空间大量的无脑内存拷贝、数组轮询等,是系统难以承受的。因此,基于select模型的服务器程序,要达到10万级别的并发访问,是一个很难完成的任务。

epoll IO多路复用模型实现机制

由于epoll的实现机制与select/poll机制完全不同,上面所说的 select的缺点在epoll上不复存在。

设想一下如下场景:有100万个客户端同时与一个服务器进程保持着TCP连接。而每一时刻,通常只有几百上千个TCP连接是活跃的(事实上大部分场景都是这种情况)。如何实现这样的高并发?

在select/poll时代,服务器进程每次都把这100万个连接告诉操作系统(从用户态复制句柄数据结构到内核态),让操作系统内核去查询这些套接字上是否有事件发生,轮询完后,再将句柄数据复制到用户态,让服务器应用程序轮询处理已发生的网络事件,这一过程资源消耗较大,因此,select/poll一般只能处理几千的并发连接。

epoll的设计和实现与select完全不同。epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统(文件系统一般用什么数据结构实现?B+树)。把原先的select/poll调用分成了3个部分:

1)调用epoll_create()建立一个epoll对象(在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源)

2)调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接的套接字

3)调用epoll_wait收集发生的事件的连接

如此一来,要实现上面说是的场景,只需要在进程启动时建立一个epoll对象,然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同时,epoll_wait的效率也非常高,因为调用epoll_wait时,并没有一股脑的向操作系统复制这100万个连接的句柄数据,内核也不需要去遍历全部的连接。

epoll实现机制

当某一进程调用epoll_create方法时,Linux内核会创建一个eventpoll结构体,这个结构体中有两个成员与epoll的使用方式密切相关。eventpoll结构体如下所示:

struct eventpoll{
    ....
    /*红黑树的根节点,这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/
    struct rb_root  rbr;
    /*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/
    struct list_head rdlist;
    ....
};

每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体,用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。这些事件都会挂载在红黑树中,如此,重复添加的事件就可以通过红黑树而高效的识别出来(红黑树的插入时间效率是lgn,其中n为树的高度)。

而所有添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系,也就是说,当相应的事件发生时会调用这个回调方法。这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback,它会将发生的事件添加到rdlist双链表中。

在epoll中,对于每一个事件,都会建立一个epitem结构体,如下所示:

struct epitem{
    struct rb_node  rbn;//红黑树节点
    struct list_head    rdllink;//双向链表节点
    struct epoll_filefd  ffd;  //事件句柄信息
    struct eventpoll *ep;    //指向其所属的eventpoll对象
    struct epoll_event event; //期待发生的事件类型
}

当调用epoll_wait检查是否有事件发生时,只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不为空,则把发生的事件复制到用户态,同时将事件数量返回给用户。
epoll结构示意图
通过红黑树和双链表数据结构,并结合回调机制,造就了epoll的高效。

epoll的接口

  1. epoll_create
    创建epoll句柄
    函数声明:int epoll_create(int size)
    参数:size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。
    返回值:返回创建了的epoll句柄。
    当创建好epoll句柄后,它就是会占用一个fd值,在linux下如果查看/proc/进程id/fd/,是能够看到这个fd的,所以在使用完epoll后,必须调用close()关闭,否则可能导致fd被耗尽。
  2. epoll_ctl
    将被监听的描述符添加到epoll句柄或从epool句柄中删除或者对监听事件进行修改。
    函数申明:int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event*event);
    参数:
    epfd: epoll_create()的返回值
    op:表示要进行的操作,其值分别为:
    EPOLL_CTL_ADD: 注册新的fd到epfd中;
    EPOLL_CTL_MOD: 修改已经注册的fd的监听事件;
    EPOLL_CTL_DEL: 从epfd中删除一个fd;
    fd:需要操作/监听的文件句柄
    event:是告诉内核需要监听什么事件,struct epoll_event如下:
typedef union epoll_data {  
void *ptr;  
int fd;  
__uint32_t u32;  
__uint64_t u64;  
} epoll_data_t;  

struct epoll_event {  
__uint32_t events; /* Epoll events */  
epoll_data_t data; /* User data variable */  
};  

events可以是以下几个宏的集合:
EPOLLIN:触发该事件,表示对应的文件描述符上有可读数据。(包括对端SOCKET正常关闭);
EPOLLOUT:触发该事件,表示对应的文件描述符上可以写数据;
EPOLLPRI:表示对应的文件描述符有紧急的数据可读(这里应该表示有带外数据到来);
EPOLLERR:表示对应的文件描述符发生错误;
EPOLLHUP: 表示对应的文件描述符被挂断;
EPOLLET:将EPOLL设为边缘触发(EdgeTriggered)模式,这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。
EPOLLONESHOT: 只监听一次事件,当监听完这次事件之后,如果还需要继续监听这个socket的话,需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里。
示例:

struct epoll_event ev;
//设置与要处理的事件相关的文件描述符
ev.data.fd=listenfd;
//设置要处理的事件类型
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
//注册epoll事件
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);
  1. epoll_wait
    等侍注册在epfd上的socket fd的事件的发生,如果发生则将发生的sokct fd和事件类型放入到events数组中。
    函数原型:int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
    参数:
    epfd:由epoll_create 生成的epoll文件描述符
    events:用于回传代处理事件的数组
    maxevents:每次能处理的最大事件数
    timeout:等待I/O事件发生的超时毫秒数,-1相当于阻塞,0相当于非阻塞。一般用-1即可

epoll的工作模式

ET(EdgeTriggered):高速工作模式,只支持no_block(非阻塞模式)。在此模式下,当描述符从未就绪变为就绪时,内核通过epoll告知。然后它会假设用户知道文件描述符已经就绪,并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知,直到某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了。(触发模式只在数据就绪时通知一次,若数据没有读完,下一次不会通知,直到有新的就绪数据)
LT(LevelTriggered):缺省工作方式,支持blocksocket和no_blocksocket。在LT模式下内核会告知一个文件描述符是否就绪了,然后可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果不作任何操作,内核还是会继续通知!若数据没有读完,内核也会继续通知,直至设备数据为空为止!

示例说明:

1.我们已经把一个用来从管道中读取数据的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符
2. 这个时候从管道的另一端被写入了2KB的数据
3. 调用epoll_wait(2),并且它会返回RFD,说明它已经准备好读取操作
4. 然后我们读取了1KB的数据
5. 调用epoll_wait(2)……
ET工作模式:
如果我们在第1步将RFD添加到epoll描述符的时候使用了EPOLLET标志,在第2步执行了一个写操作,第三步epoll_wait会返回同时通知的事件会销毁。因为第4步的读取操作没有读空文件输入缓冲区内的数据,因此我们在第5步调用epoll_wait(2)完成后,是否挂起是不确定的。epoll工作在ET模式的时候,必须使用非阻塞套接口,以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。
只有当read(2)或者write(2)返回EAGAIN时(认为读完)才需要挂起,等待。但这并不是说每次read()时都需要循环读,直到读到产生一个EAGAIN才认为此次事件处理完成,当read()返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时(即小于sizeof(buf)),就可以确定此时缓冲中已没有数据了,也就可以认为此事读事件已处理完成。
LT工作模式:
LT方式调用epoll接口的时候,它就相当于一个速度比较快的poll(2),并且无论后面的数据是否被使用,因此他们具有同样的职能。

示例

/*
*   file epollTest.c
*/
#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <unistd.h>  
#include <errno.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <netdb.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <sys/epoll.h>  
#include <string.h>  

#define MAXEVENTS 64  

//函数:  
//功能:创建和绑定一个TCP socket  
//参数:端口  
//返回值:创建的socket  
static int  
create_and_bind (char *port)  
{  
  struct addrinfo hints;  
  struct addrinfo *result, *rp;  
  int s, sfd;  

  memset (&hints, 0, sizeof (struct addrinfo));  
  hints.ai_family = AF_UNSPEC;     /* Return IPv4 and IPv6 choices */  
  hints.ai_socktype = SOCK_STREAM; /* We want a TCP socket */  
  hints.ai_flags = AI_PASSIVE;     /* All interfaces */  

  s = getaddrinfo (NULL, port, &hints, &result);  
  if (s != 0)  
    {  
      fprintf (stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror (s));  
      return -1;  
    }  

  for (rp = result; rp != NULL; rp = rp->ai_next)  
    {  
      sfd = socket (rp->ai_family, rp->ai_socktype, rp->ai_protocol);  
      if (sfd == -1)  
        continue;  

      s = bind (sfd, rp->ai_addr, rp->ai_addrlen);  
      if (s == 0)  
        {  
          /* We managed to bind successfully! */  
          break;  
        }  

      close (sfd);  
    }  

  if (rp == NULL)  
    {  
      fprintf (stderr, "Could not bind\n");  
      return -1;  
    }  

  freeaddrinfo (result);  

  return sfd;  
}  


//函数  
//功能:设置socket为非阻塞的  
static int  
make_socket_non_blocking (int sfd)  
{  
  int flags, s;  

  //得到文件状态标志  
  flags = fcntl (sfd, F_GETFL, 0);  
  if (flags == -1)  
    {  
      perror ("fcntl");  
      return -1;  
    }  

  //设置文件状态标志  
  flags |= O_NONBLOCK;  
  s = fcntl (sfd, F_SETFL, flags);  
  if (s == -1)  
    {  
      perror ("fcntl");  
      return -1;  
    }  

  return 0;  
}  

//端口由参数argv[1]指定  
int  
main (int argc, char *argv[])  
{  
  int sfd, s;  
  int efd;  
  struct epoll_event event;  
  struct epoll_event *events;  

  if (argc != 2)  
    {  
      fprintf (stderr, "Usage: %s [port]\n", argv[0]);  
      exit (EXIT_FAILURE);  
    }  

  sfd = create_and_bind (argv[1]);  
  if (sfd == -1)  
    abort ();  

  s = make_socket_non_blocking (sfd);  
  if (s == -1)  
    abort ();  

  s = listen (sfd, SOMAXCONN);  
  if (s == -1)  
    {  
      perror ("listen");  
      abort ();  
    }  

  //除了参数size被忽略外,此函数和epoll_create完全相同  
  efd = epoll_create1 (0);  
  if (efd == -1)  
    {  
      perror ("epoll_create");  
      abort ();  
    }  

  event.data.fd = sfd;  
  event.events = EPOLLIN | EPOLLET;//读入,边缘触发方式  
  s = epoll_ctl (efd, EPOLL_CTL_ADD, sfd, &event);  
  if (s == -1)  
    {  
      perror ("epoll_ctl");  
      abort ();  
    }  

  /* Buffer where events are returned */  
  events = calloc (MAXEVENTS, sizeof event);  

  /* The event loop */  
  while (1)  
    {  
      int n, i;  

      n = epoll_wait (efd, events, MAXEVENTS, -1);  
      for (i = 0; i < n; i++)  
        {  
          if ((events[i].events & EPOLLERR) ||  
              (events[i].events & EPOLLHUP) ||  
              (!(events[i].events & EPOLLIN)))  
            {  
              /* An error has occured on this fd, or the socket is not 
                 ready for reading (why were we notified then?) */  
              fprintf (stderr, "epoll error\n");  
              close (events[i].data.fd);  
              continue;  
            }  

          else if (sfd == events[i].data.fd)  
            {  
              /* We have a notification on the listening socket, which 
                 means one or more incoming connections. */  
              while (1)  
                {  
                  struct sockaddr in_addr;  
                  socklen_t in_len;  
                  int infd;  
                  char hbuf[NI_MAXHOST], sbuf[NI_MAXSERV];  

                  in_len = sizeof in_addr;  
                  infd = accept (sfd, &in_addr, &in_len);  
                  if (infd == -1)  
                    {  
                      if ((errno == EAGAIN) ||  
                          (errno == EWOULDBLOCK))  
                        {  
                          /* We have processed all incoming 
                             connections. */  
                          break;  
                        }  
                      else  
                        {  
                          perror ("accept");  
                          break;  
                        }  
                    }  

                                  //将地址转化为主机名或者服务名  
                  s = getnameinfo (&in_addr, in_len,  
                                   hbuf, sizeof hbuf,  
                                   sbuf, sizeof sbuf,  
                                   NI_NUMERICHOST | NI_NUMERICSERV);//flag参数:以数字名返回  
                                  //主机地址和服务地址  

                  if (s == 0)  
                    {  
                      printf("Accepted connection on descriptor %d "  
                             "(host=%s, port=%s)\n", infd, hbuf, sbuf);  
                    }  

                  /* Make the incoming socket non-blocking and add it to the 
                     list of fds to monitor. */  
                  s = make_socket_non_blocking (infd);  
                  if (s == -1)  
                    abort ();  

                  event.data.fd = infd;  
                  event.events = EPOLLIN | EPOLLET;  
                  s = epoll_ctl (efd, EPOLL_CTL_ADD, infd, &event);  
                  if (s == -1)  
                    {  
                      perror ("epoll_ctl");  
                      abort ();  
                    }  
                }  
              continue;  
            }  
          else  
            {  
              /* We have data on the fd waiting to be read. Read and 
                 display it. We must read whatever data is available 
                 completely, as we are running in edge-triggered mode 
                 and won't get a notification again for the same 
                 data. */  
              int done = 0;  

              while (1)  
                {  
                  ssize_t count;  
                  char buf[512];  

                  count = read (events[i].data.fd, buf, sizeof(buf));  
                  if (count == -1)  
                    {  
                      /* If errno == EAGAIN, that means we have read all 
                         data. So go back to the main loop. */  
                      if (errno != EAGAIN)  
                        {  
                          perror ("read");  
                          done = 1;  
                        }  
                      break;  
                    }  
                  else if (count == 0)  
                    {  
                      /* End of file. The remote has closed the 
                         connection. */  
                      done = 1;  
                      break;  
                    }  

                  /* Write the buffer to standard output */  
                  s = write (1, buf, count);  
                  if (s == -1)  
                    {  
                      perror ("write");  
                      abort ();  
                    }  
                }  

              if (done)  
                {  
                  printf ("Closed connection on descriptor %d\n",  
                          events[i].data.fd);  

                  /* Closing the descriptor will make epoll remove it 
                     from the set of descriptors which are monitored. */  
                  close (events[i].data.fd);  
                }  
            }  
        }  
    }  

  free (events);  

  close (sfd);  

  return EXIT_SUCCESS;  
}
代码编译后,./epollTest 8888 ,在另外一个终端中执行 
telnet 192.168.1.161 8888192.168.1.161为执行测试程序的ip。在telnet终端敲入任何字符敲入Enter后,会在测试终端显示敲入的字符。

参考文档:
高并发网络编程之epoll详解
http://www.aiuxian.com/article/p-864162.html
http://www.aiuxian.com/article/p-522751.html
如何使用 epoll? 一个 C 语言实例

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