epoll模型的探索与实践

ゞ浴缸里的玫瑰 2021-12-22 22:07 232阅读 0赞

我们知道nginx的效率非常高,能处理上万级的并发,其之所以高效离不开epoll的支持,

epoll是什么呢?,epoll是IO模型中的一种,属于多路复用IO模型;

到这里你应该想到了,select,的确select也是一种多路复用的IO模型,但是其单个select最多只能同时处理1024个socket,效率实在算不上高,这时候epoll来救场了

本文从阻塞IO模型的基础上展开讨论,一步步靠近epoll的实现原理,最后以一个简单的epoll案例程序作为结束

亲手写一个epoll,然后去虐面试官吧!

在select的学习过程中我们知道了select 只能同时处理1024个客户端,

而多线程会遇到资源瓶颈,什么才是解决高并发最有效的方式呢

linux中提供了epoll 这种高效的多路复用IO模型

注意其他平台没有相应的实现所以epoll仅在linux中可用

## 程序阻塞过程分析 ##

epoll代码实现并不复杂,但是要搞清楚其高效的原理还是需要花一些时间的

我们从最原始的阻塞模型开始分析

假设系统目前运行了三个进程 A B C

进程A正在运行一下socket程序

server = socket.socket()

server.bind(("127.0.0.1",1688))

server.listen()

server.accept()

1.系统会创建文件描述符指向一个socket对象 ,其包含了读写缓冲区,已经进行等待队列

2.当执行到accept / recv 时系统会讲进程A 从工作队列中移除

3.将进程A的引用添加到 socket对象的等待队列中

![image-20190611004451049][]

## 进程的唤醒 ##

1.当网卡收到数据后会现将数据写入到缓冲区

2.发送中断信号给CPU

3.CPU执行中断程序,将数据从内核copy到socket的缓冲区

4.唤醒进程,即将进程A切换到就绪态,同时从socket的等待队列中移除这个进程引用

![image-20190611004426923][]

## select监控多个socket ##

select的实现思路比较直接

1.先将所有socket放到一个列表中,

![image-20190611012033114][]

2.遍历这个列表将进程A 添加到每个socket的等待队列中 然后阻塞进程

![image-20190611012015309][]

3.当数据到达时,cpu执行中断程序将数据copy给socket 同时唤醒处于等待队列中的进程A

为了防止重复添加等待队列 还需要移除已经存在的进程A

![image-20190611012748611][]

4.进程A唤醒后 由于不清楚那个socket有数据,所以需要遍历一遍所有socket列表

##### 从上面的过程中不难看出 #####

1.select,需要遍历socket列表,频繁的对等待队列进行添加移除操作,

2.数据到达后还需要给变量所有socket才能获知哪些socket有数据

两个操作消耗的时间随着要监控的socket的数量增加而大大增加,

处于效率考虑才规定了最大只能监视1024个socket

## epol要解决的问题 ##

##### 1.避免频繁的对等待队列进行操作 #####

##### 2.避免遍历所有socket #####

##### 对于第一个问题我们先看select的处理方式 #####

xxxxxxxxxx

while True:

r_list,w_list,x_list = select.select(rlist,wlist,xlist)

每次处理完一次读写后,都需要将所有过冲重复一遍,包括移除进程,添加进程,默认就会将进程添加到等待队列,并阻塞住进程,然而等待队列的更新操作并不频繁,

所以对于第一个问题epoll采取的方案是,将对等待队列的维护和,阻塞进程这两个操作进行拆分,

相关代码如下

import socket,select

server = socket.socket()

server.bind(("127.0.0.1",1688))

server.listen(5)

#创建epoll事件对象，后续要监控的事件添加到其中

epoll = select.epoll()

#注册服务器监听fd到等待读事件集合

epoll.register(server.fileno(), select.EPOLLIN)

# 等待事件发生

while True:

for sock,event in epoll.poll():

pass

在epoll中register 与 unregister函数用于维护等待队列

epoll.poll则用于阻塞进程

![image-20190611024356728][]

这样一来就避免了 每次处理都需要重新操作等待队列的问题

##### 第二个问题是select中进程无法获知哪些socket是有数据的所以需要遍历 #####

epol为了解决这个问题,在内核中维护了一个就绪列表,

1.创建epoll对象,epoll也会对应一个文件,由文件系统管理

2.执行register时,将epoll对象 添加到socket的等待队列中

![image-20190611032427955][]

3.数据到达后,CPU执行中断程序,将数据copy给socket

4.在epoll中,中断程序接下来会执行epoll对象中的回调函数,传入就绪的socket对象

5.将socket,添加到就绪列表中

6.唤醒epoll等待队列中的进程,

进程唤醒后,由于存在就绪列表,所以不需要再遍历socket了,直接处理就绪列表即可

解决了这两个问题后,并发量得到大幅度提升,最大可同时维护上万级别的socket

## epoll相关函数 ##

xxxxxxxxxx

import select 导入select模块

epoll = select.epoll() 创建一个epoll对象

epoll.register(文件句柄,事件类型) 注册要监控的文件句柄和事件

事件类型:

select.EPOLLIN    可读事件

select.EPOLLOUT   可写事件

select.EPOLLERR   错误事件

select.EPOLLHUP   客户端断开事件

epoll.unregister(文件句柄)   销毁文件句柄

epoll.poll(timeout)  当文件句柄发生变化，则会以列表的形式主动报告给用户进程,timeout

为超时时间，默认为-1，即一直等待直到文件句柄发生变化，如果指定为1

那么epoll每1秒汇报一次当前文件句柄的变化情况，如果无变化则返回空

epoll.fileno() 返回epoll的控制文件描述符(Return the epoll control file descriptor)

epoll.modfiy(fineno,event) fineno为文件描述符 event为事件类型  作用是修改文件描述符所对应的事件

epoll.fromfd(fileno) 从1个指定的文件描述符创建1个epoll对象

epoll.close()   关闭epoll对象的控制文件描述符

案例:

xxxxxxxxxx

#coding:utf-8

#客户端

#创建客户端socket对象

import socket

clientsocket = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

#服务端IP地址和端口号元组

server_address = ('127.0.0.1',1688)

#客户端连接指定的IP地址和端口号

clientsocket.connect(server_address)

while True:

#输入数据

data = raw_input('please input:')

if data == "q":

break

if not data:

continue

#客户端发送数据

clientsocket.send(data.encode("utf-8"))

#客户端接收数据

server_data = clientsocket.recv(1024)

print ('客户端收到的数据：',server_data)

#关闭客户端socket

clientsocket.close()

服务器:

# coding:utf-8

import socket, select

server = socket.socket()

server.bind(("127.0.0.1", 1688))

server.listen(5)

msgs = []

fd_socket = {
               server.fileno(): server}

epoll = select.epoll()

# 注册服务器的 写就绪

epoll.register(server.fileno(), select.EPOLLIN)

while True:

for fd, event in epoll.poll():

sock = fd_socket[fd]

print(fd, event)

# 返回的是文件描述符 需要获取对应socket

if sock == server:  # 如果是服务器 就接受请求

client, addr = server.accept()

# 注册客户端写就绪

epoll.register(client.fileno(), select.EPOLLIN)

# 添加对应关系

fd_socket[client.fileno()] = client

# 读就绪

elif event == select.EPOLLIN:

data = sock.recv(2018)

if not data:

# 注销事件

epoll.unregister(fd)

# 关闭socket

sock.close()

# 删除socket对应关系

del fd_socket[fd]

print(" somebody fuck out...")

continue

print(data.decode("utf-8"))

# 读完数据 需要把数据发回去所以接下来更改为写就绪=事件

epoll.modify(fd, select.EPOLLOUT)

#记录数据

msgs.append((sock,data.upper()))

elif event == select.EPOLLOUT:

for item in msgs[:]:

if item[0] == sock:

sock.send(item[1])

msgs.remove(item)

# 切换关注事件为写就绪

epoll.modify(fd,select.EPOLLIN)

注意:上述代码只能在linux下运行,因为epoll模型是linux内核提供的,上层代码无法实现!

转载于:https://www.cnblogs.com/yangyuanhu/p/11059908.html

[image-20190611004451049]: https://ws4.sinaimg.cn/large/006tNc79gy1g3wjggjh2oj30kr0e7gm0.jpg
[image-20190611004426923]: https://ws3.sinaimg.cn/large/006tNc79gy1g3wjg3tdlfj30m20e1js5.jpg
[image-20190611012033114]: https://ws1.sinaimg.cn/large/006tNc79gy1g3wkhlw058j307x014jrg.jpg
[image-20190611012015309]: https://ws1.sinaimg.cn/large/006tNc79gy1g3wkhb4sgmj30ke0dkgm9.jpg
[image-20190611012748611]: https://ws4.sinaimg.cn/large/006tNc79gy1g3wkp5k5z0j30n90dlgmj.jpg
[image-20190611024356728]: https://ws2.sinaimg.cn/large/006tNc79gy1g3wmwdiyhxj30q409egm3.jpg
[image-20190611032427955]: https://ws3.sinaimg.cn/large/006tNc79gy1g3wo2jnv9vj30kr0du3yx.jpg