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linux epoll機制詳解

發布時間:2020-09-22 18:47:07 來源:腳本之家 閱讀:133 作者:Jalon007 欄目:服務器

在linux 沒有實現epoll事件驅動機制之前,我們一般選擇用select或者poll等IO多路復用的方法來實現并發服務程序。在linux新的內核中,有了一種替換它的機制,就是epoll。

select()和poll() IO多路復用模型

select的缺點:

1.單個進程能夠監視的文件描述符的數量存在最大限制,通常是1024,當然可以更改數量,但由于select采用輪詢的方式掃描文件描述符,文件描述符數量越多,性能越差;(在linux內核頭文件中,有這樣的定義:#define __FD_SETSIZE 1024)
2.內核 / 用戶空間內存拷貝問題,select需要復制大量的句柄數據結構,產生巨大的開銷;
3.select返回的是含有整個句柄的數組,應用程序需要遍歷整個數組才能發現哪些句柄發生了事件;
4.select的觸發方式是水平觸發,應用程序如果沒有完成對一個已經就緒的文件描述符進行IO操作,那么之后每次select調用還是會將這些文件描述符通知進程。

相比select模型,poll使用鏈表保存文件描述符,因此沒有了監視文件數量的限制,但其他三個缺點依然存在。

假設我們的服務器需要支持100萬的并發連接,則在__FD_SETSIZE 為1024的情況下,則我們至少需要開辟1k個進程才能實現100萬的并發連接。除了進程間上下文切換的時間消耗外,從內核/用戶空間大量的無腦內存拷貝、數組輪詢等,是系統難以承受的。因此,基于select模型的服務器程序,要達到10萬級別的并發訪問,是一個很難完成的任務。

epoll IO多路復用模型實現機制

由于epoll的實現機制與select/poll機制完全不同,上面所說的 select的缺點在epoll上不復存在。

設想一下如下場景:有100萬個客戶端同時與一個服務器進程保持著TCP連接。而每一時刻,通常只有幾百上千個TCP連接是活躍的(事實上大部分場景都是這種情況)。如何實現這樣的高并發?

在select/poll時代,服務器進程每次都把這100萬個連接告訴操作系統(從用戶態復制句柄數據結構到內核態),讓操作系統內核去查詢這些套接字上是否有事件發生,輪詢完后,再將句柄數據復制到用戶態,讓服務器應用程序輪詢處理已發生的網絡事件,這一過程資源消耗較大,因此,select/poll一般只能處理幾千的并發連接。

epoll的設計和實現與select完全不同。epoll通過在Linux內核中申請一個簡易的文件系統(文件系統一般用什么數據結構實現?B+樹)。把原先的select/poll調用分成了3個部分:

1)調用epoll_create()建立一個epoll對象(在epoll文件系統中為這個句柄對象分配資源)

2)調用epoll_ctl向epoll對象中添加這100萬個連接的套接字

3)調用epoll_wait收集發生的事件的連接

如此一來,要實現上面說是的場景,只需要在進程啟動時建立一個epoll對象,然后在需要的時候向這個epoll對象中添加或者刪除連接。同時,epoll_wait的效率也非常高,因為調用epoll_wait時,并沒有一股腦的向操作系統復制這100萬個連接的句柄數據,內核也不需要去遍歷全部的連接。

epoll實現機制

當某一進程調用epoll_create方法時,Linux內核會創建一個eventpoll結構體,這個結構體中有兩個成員與epoll的使用方式密切相關。eventpoll結構體如下所示:

struct eventpoll{
 ....
 /*紅黑樹的根節點,這顆樹中存儲著所有添加到epoll中的需要監控的事件*/
 struct rb_root rbr;
 /*雙鏈表中則存放著將要通過epoll_wait返回給用戶的滿足條件的事件*/
 struct list_head rdlist;
 ....
};

每一個epoll對象都有一個獨立的eventpoll結構體,用于存放通過epoll_ctl方法向epoll對象中添加進來的事件。這些事件都會掛載在紅黑樹中,如此,重復添加的事件就可以通過紅黑樹而高效的識別出來(紅黑樹的插入時間效率是lgn,其中n為樹的高度)。

而所有添加到epoll中的事件都會與設備(網卡)驅動程序建立回調關系,也就是說,當相應的事件發生時會調用這個回調方法。這個回調方法在內核中叫ep_poll_callback,它會將發生的事件添加到rdlist雙鏈表中。

在epoll中,對于每一個事件,都會建立一個epitem結構體,如下所示:

struct epitem{
 struct rb_node rbn;//紅黑樹節點
 struct list_head rdllink;//雙向鏈表節點
 struct epoll_filefd ffd; //事件句柄信息
 struct eventpoll *ep; //指向其所屬的eventpoll對象
 struct epoll_event event; //期待發生的事件類型
}

當調用epoll_wait檢查是否有事件發生時,只需要檢查eventpoll對象中的rdlist雙鏈表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不為空,則把發生的事件復制到用戶態,同時將事件數量返回給用戶。

linux epoll機制詳解

通過紅黑樹和雙鏈表數據結構,并結合回調機制,造就了epoll的高效。

epoll的接口

1.epoll_create

創建epoll句柄
函數聲明:int epoll_create(int size)

參數:size用來告訴內核這個監聽的數目一共有多大。
返回值:返回創建了的epoll句柄。
當創建好epoll句柄后,它就是會占用一個fd值,在linux下如果查看/proc/進程id/fd/,是能夠看到這個fd的,所以在使用完epoll后,必須調用close()關閉,否則可能導致fd被耗盡。

2.epoll_ctl

將被監聽的描述符添加到epoll句柄或從epool句柄中刪除或者對監聽事件進行修改。
函數申明:int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event*event);

參數:
epfd: epoll_create()的返回值
op:表示要進行的操作,其值分別為:
EPOLL_CTL_ADD: 注冊新的fd到epfd中;
EPOLL_CTL_MOD: 修改已經注冊的fd的監聽事件;
EPOLL_CTL_DEL: 從epfd中刪除一個fd;
fd:需要操作/監聽的文件句柄
event:是告訴內核需要監聽什么事件,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可以是以下幾個宏的集合:

EPOLLIN:觸發該事件,表示對應的文件描述符上有可讀數據。(包括對端SOCKET正常關閉);
EPOLLOUT:觸發該事件,表示對應的文件描述符上可以寫數據;
EPOLLPRI:表示對應的文件描述符有緊急的數據可讀(這里應該表示有帶外數據到來);
EPOLLERR:表示對應的文件描述符發生錯誤;
EPOLLHUP: 表示對應的文件描述符被掛斷;
EPOLLET:將EPOLL設為邊緣觸發(EdgeTriggered)模式,這是相對于水平觸發(Level Triggered)來說的。
EPOLLONESHOT: 只監聽一次事件,當監聽完這次事件之后,如果還需要繼續監聽這個socket的話,需要再次把這個socket加入到EPOLL隊列里。

示例:

struct epoll_event ev;
//設置與要處理的事件相關的文件描述符
ev.data.fd=listenfd;
//設置要處理的事件類型
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
//注冊epoll事件
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);

1.epoll_wait

等侍注冊在epfd上的socket fd的事件的發生,如果發生則將發生的sokct fd和事件類型放入到events數組中。
函數原型:int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

參數:
epfd:由epoll_create 生成的epoll文件描述符
events:用于回傳代處理事件的數組
maxevents:每次能處理的最大事件數
timeout:等待I/O事件發生的超時毫秒數,-1相當于阻塞,0相當于非阻塞。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,當描述符從未就緒變為就緒時,內核通過epoll告知。然后它會假設用戶知道文件描述符已經就緒,并且不會再為那個文件描述符發送更多的就緒通知,直到某些操作導致那個文件描述符不再為就緒狀態了。(觸發模式只在數據就緒時通知一次,若數據沒有讀完,下一次不會通知,直到有新的就緒數據)

LT(LevelTriggered):缺省工作方式,支持blocksocket和no_blocksocket。在LT模式下內核會告知一個文件描述符是否就緒了,然后可以對這個就緒的fd進行IO操作。如果不作任何操作,內核還是會繼續通知!若數據沒有讀完,內核也會繼續通知,直至設備數據為空為止!

示例說明:

1.我們已經把一個用來從管道中讀取數據的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符
2. 這個時候從管道的另一端被寫入了2KB的數據
3. 調用epoll_wait(2),并且它會返回RFD,說明它已經準備好讀取操作
4. 然后我們讀取了1KB的數據
5. 調用epoll_wait(2)……

ET工作模式:

如果我們在第1步將RFD添加到epoll描述符的時候使用了EPOLLET標志,在第2步執行了一個寫操作,第三步epoll_wait會返回同時通知的事件會銷毀。因為第4步的讀取操作沒有讀空文件輸入緩沖區內的數據,因此我們在第5步調用epoll_wait(2)完成后,是否掛起是不確定的。epoll工作在ET模式的時候,必須使用非阻塞套接口,以避免由于一個文件句柄的阻塞讀/阻塞寫操作把處理多個文件描述符的任務餓死。

只有當read(2)或者write(2)返回EAGAIN時(認為讀完)才需要掛起,等待。但這并不是說每次read()時都需要循環讀,直到讀到產生一個EAGAIN才認為此次事件處理完成,當read()返回的讀到的數據長度小于請求的數據長度時(即小于sizeof(buf)),就可以確定此時緩沖中已沒有數據了,也就可以認為此事讀事件已處理完成。

LT工作模式:

LT方式調用epoll接口的時候,它就相當于一個速度比較快的poll(2),并且無論后面的數據是否被使用,因此他們具有同樣的職能。

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 

//函數: 
//功能:創建和綁定一個TCP socket 
//參數:端口 
//返回值:創建的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; 
} 


//函數 
//功能:設置socket為非阻塞的 
static int 
make_socket_non_blocking (int sfd) 
{ 
 int flags, s; 

 //得到文件狀態標志 
 flags = fcntl (sfd, F_GETFL, 0); 
 if (flags == -1) 
 { 
  perror ("fcntl"); 
  return -1; 
 } 

 //設置文件狀態標志 
 flags |= O_NONBLOCK; 
 s = fcntl (sfd, F_SETFL, flags); 
 if (s == -1) 
 { 
  perror ("fcntl"); 
  return -1; 
 } 

 return 0; 
} 

//端口由參數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 (); 
 } 

 //除了參數size被忽略外,此函數和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;//讀入,邊緣觸發方式 
 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; 
      } 
     } 

         //將地址轉化為主機名或者服務名 
     s = getnameinfo (&in_addr, in_len, 
         hbuf, sizeof hbuf, 
         sbuf, sizeof sbuf, 
         NI_NUMERICHOST | NI_NUMERICSERV);//flag參數:以數字名返回 
         //主機地址和服務地址 

     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; 
}

代碼編譯后,./epollTest 8888 ,在另外一個終端中執行
telnet 192.168.1.161 8888 ,192.168.1.161為執行測試程序的ip。在telnet終端敲入任何字符敲入Enter后,會在測試終端顯示敲入的字符。

總結

以上就是本文關于linux epoll機制詳解的全部內容,希望對大家有所幫助。感興趣的朋友可以繼續參閱本站其他相關專題,如有不足之處,歡迎留言指出。感謝朋友們對本站的支持!

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