I/O多路复用之epoll

快来打我* 2022-08-13 04:30 131阅读 0赞

介绍epoll的文章大多都详细介绍了epoll模型和select/poll模型之间的比较,这里就不再详细列举，只总结一下我对这两个模型的看法：

1.要监视的文件句柄非常多，而且每次完成操作的句柄非常少，使用epoll模型效率比select/poll模型要高许多；2.取决于文静句柄的响应速度，在LAN环境中这几个模型的效率差不多；WAN环境中epoll的效率最高；  
  
1.Linux2.6内核epoll介绍  
    先介绍2本书《The Linux Networking Architecture--Design and Implementation of Network Protocols in the Linux Kernel》，以2.4内核讲解Linux TCP/IP实现，相当不错.作为一个现实世界中的实现，很多时候你必须作很多权衡，这时候参考一个久经考验的系统更有实际意义。举个例子,linux内核中sk\_buff结构为了追求速度和安全，牺牲了部分内存，所以在发送TCP包的时候，无论应用层数据多大,sk\_buff最小也有272的字节.其实对于socket应用层程序来说，另外一本书《UNIX Network Programming Volume 1》意义更大一点.2003年的时候，这本书出了最新的第3版本，不过主要还是修订第2版本。其中第6章《I/O Multiplexing》是最重要的。Stevens给出了网络IO的基本模型。在这里最重要的莫过于select模型和Asynchronous I/O模型.从理论上说，AIO似乎是最高效的，你的IO操作可以立即返回，然后等待os告诉你IO操作完成。但是一直以来，如何实现就没有一个完美的方案。最著名的windows完成端口实现的AIO,实际上也是内部用线程池实现的罢了，最后的结果是IO有个线程池，你应用也需要一个线程池...... 很多文档其实已经指出了这带来的线程context-switch带来的代价。在linux 平台上，关于网络AIO一直是改动最多的地方，2.4的年代就有很多AIO内核patch,最著名的应该算是SGI那个。但是一直到2.6内核发布，网络模块的AIO一直没有进入稳定内核版本(大部分都是使用用户线程模拟方法，在使用了NPTL的linux上面其实和windows的完成端口基本上差不多了)。2.6内核所支持的AIO特指磁盘的AIO---支持io\_submit(),io\_getevents()以及对Direct IO的支持(就是绕过VFS系统buffer直接写硬盘，对于流服务器在内存平稳性上有相当帮助)。  
    所以，剩下的select模型基本上就是我们在linux上面的唯一选择，其实，如果加上no-block socket的配置，可以完成一个"伪"AIO的实现，只不过推动力在于你而不是os而已。不过传统的select/poll函数有着一些无法忍受的缺点，所以改进一直是2.4-2.5开发版本内核的任务，包括/dev/poll，realtime signal等等。最终，Davide Libenzi开发的epoll进入2.6内核成为正式的解决方案  
  
2、epoll的优点  
<1>支持一个进程打开大数目的socket描述符(FD)  
    select 最不能忍受的是一个进程所打开的FD是有一定限制的，由FD\_SETSIZE设置，默认值是2048。对于那些需要支持的上万连接数目的IM服务器来说显然太少了。这时候你一是可以选择修改这个宏然后重新编译内核，不过资料也同时指出这样会带来网络效率的下降，二是可以选择多进程的解决方案(传统的 Apache方案)，不过虽然linux上面创建进程的代价比较小，但仍旧是不可忽视的，加上进程间数据同步远比不上线程间同步的高效，所以也不是一种完美的方案。不过 epoll则没有这个限制，它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2048,举个例子,在1GB内存的机器上大约是10万左右，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般来说这个数目和系统内存关系很大。  
  
<2>IO效率不随FD数目增加而线性下降  
    传统的select/poll另一个致命弱点就是当你拥有一个很大的socket集合，不过由于网络延时，任一时间只有部分的socket是"活跃"的，但是select/poll每次调用都会线性扫描全部的集合，导致效率呈现线性下降。但是epoll不存在这个问题，它只会对"活跃"的socket进行操作---这是因为在内核实现中epoll是根据每个fd上面的callback函数实现的。那么，只有"活跃"的socket才会主动的去调用 callback函数，其他idle状态socket则不会，在这点上，epoll实现了一个"伪"AIO，因为这时候推动力在os内核。在一些 benchmark中，如果所有的socket基本上都是活跃的---比如一个高速LAN环境，epoll并不比select/poll有什么效率，相反，如果过多使用epoll\_ctl,效率相比还有稍微的下降。但是一旦使用idle connections模拟WAN环境,epoll的效率就远在select/poll之上了。

3、epoll的使用方法

**\[cpp\]**  [view plain][] [copy][view plain]

1.  //epoll的接口非常简单，一共就三个函数：  
2.  1. **int** epoll\_create(**int** size);  
3.  创建一个epoll的句柄，size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。这个参数不同于select()中的第一个参数，给出最大监听的fd+1的值。需要注意的是，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。  
4.    
5.    
6.  2. **int** epoll\_ctl(**int** epfd, **int** op, **int** fd, **struct** epoll\_event \*event);  
7.  epoll的事件注册函数，它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件，而是在这里先注册要监听的事件类型。第一个参数是epoll\_create()的返回值，第二个参数表示动作，用三个宏来表示：  
8.  EPOLL\_CTL\_ADD：注册新的fd到epfd中；  
9.  EPOLL\_CTL\_MOD：修改已经注册的fd的监听事件；  
10. EPOLL\_CTL\_DEL：从epfd中删除一个fd；  
11. 第三个参数是需要监听的fd，第四个参数是告诉内核需要监听什么事，**struct** epoll\_event结构如下：  
12. **struct** epoll\_event   
13. \{  
14.   \_\_uint32\_t events;  /\* Epoll events \*/  
15.   epoll\_data\_t data;  /\* User data variable \*/  
16. \};  
17.   
18. events可以是以下几个宏的集合：  
19. EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；  
20. EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写；  
21. 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）；  
22. EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；  
23. EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断；  
24. EPOLLET： 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。  
25. 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  
26.   
27.   
28. 3. **int** epoll\_wait(**int** epfd, **struct** epoll\_event \* events, **int** maxevents, **int** timeout);  
29. 等待事件的产生，类似于select()调用。参数events用来从内核得到事件的集合，maxevents告之内核这个events有多大，这个maxevents的值不能大于创建epoll\_create()时的size，参数timeout是超时时间（毫秒，0会立即返回，-1将不确定，也有说法说是永久阻塞）。该函数返回需要处理的事件数目，如返回0表示已超时。

首先通过create\_epoll(int maxfds)来创建一个epoll的句柄，其中maxfds为你epoll所支持的最大句柄数。这个函数会返回一个新的epoll句柄，之后的所有操作将通过这个句柄来进行操作。在用完之后，记得用close()来关闭这个创建出来的epoll句柄。之后在你的网络主循环里面，每一帧的调用epoll\_wait(int epfd, epoll\_event events, int max events, int timeout)来查询所有的网络接口，看哪一个可以读，哪一个可以写了。基本的语法为：  
nfds = epoll\_wait(kdpfd, events, maxevents, -1);  
其中kdpfd为用epoll\_create创建之后的句柄，events是一个epoll\_event\*的指针，当epoll\_wait这个函数操作成功之后，epoll\_events里面将储存所有的读写事件。max\_events是当前需要监听的所有socket句柄数。最后一个timeout是 epoll\_wait的超时，为0的时候表示马上返回，为-1的时候表示一直等下去，直到有事件范围，为任意正整数的时候表示等这么长的时间，如果一直没有事件，则范围。一般如果网络主循环是单独的线程的话，可以用-1来等，这样可以保证一些效率，如果是和主逻辑在同一个线程的话，则可以用0来保证主循环的效率。

**\[cpp\]**  [view plain][] [copy][view plain]

1.  //epoll\_wait范围之后应该是一个循环，遍利所有的事件：  
2.  **for**(n = 0; n < nfds; ++n)   
3.  \{  
4.      **if**(events\[n\].data.fd == listener)   
5.      \{ //如果是主socket的事件的话，则表示有新连接进入了，进行新连接的处理。  
6.          client = accept(listener, (**struct** sockaddr \*) &local,  &addrlen);  
7.         **if**(client < 0)  
8.         \{  
9.             perror("accept");  
10.            **continue**;  
11.        \}  
12.        setnonblocking(client); // 将新连接置于非阻塞模式  
13.          /\*并且将新连接也加入EPOLL的监听队列。 
14.          注意，这里的参数EPOLLIN | EPOLLET并没有设置对写socket的监听， 
15.          如果有写操作的话，这个时候epoll是不会返回事件的， 
16.          如果要对写操作也监听的话，应该是EPOLLIN | EPOLLOUT | EPOLLET\*/  
17.         ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;  
18.        ev.data.fd = client;  
19.        /\*设置好event之后，将这个新的event通过epoll\_ctl,加入到epoll的监听队列里面，这里用EPOLL\_CTL\_ADD 
20.        来加一个新的 epoll事件，通过EPOLL\_CTL\_DEL来减少一个epoll事件，通过EPOLL\_CTL\_MOD来改变一个事件的监听方式。\*/  
21.   
22.       **if** (epoll\_ctl(kdpfd, EPOLL\_CTL\_ADD, client, &ev) < 0)   
23.       \{    
24.            fprintf(stderr, "epoll set insertion error: fd=%d0, client);  
25.          **return** -1;  
26.       \}  
27.     \}    
28.     **else** // 如果不是主socket的事件的话，则代表是一个用户socket的事件，  
29.          do\_use\_fd(events\[n\].data.fd);//则来处理这个用户socket的事情，比如说read(fd,xxx)之类的，或者一些其他的处理。  
30. \}

4.Linux下EPOll编程实例

[**\[cpp\]** ][cpp] [view plain][] [copy][view plain]

1.  **while** (TRUE)   
2.  \{  
3.    **int** nfds = epoll\_wait (m\_epoll\_fd, m\_events, MAX\_EVENTS, EPOLL\_TIME\_OUT);//等待EPOLL时间的发生，相当于监听，  
4.                                                                               //至于相关的端口，需要在初始化EPOLL的时候绑定。  
5.    **if** (nfds <= 0)  
6.      **continue**;  
7.    m\_bOnTimeChecking = FALSE;  
8.    G\_CurTime = time(NULL);  
9.    **for** (**int** i=0; i<nfds; i++)   
10.   \{  
11.     **try**   
12.     \{  
13.        **if** (m\_events\[i\].data.fd == m\_listen\_sock\_fd)//如果新监测到一个SOCKET用户连接到了绑定的SOCKET端口，建立新的连接。  
14.         \{  
15.           OnAcceptSockEpoll ();  
16.        \}   
17.        **else** **if** (m\_events\[i\].events & EPOLLIN)//如果是已经连接的用户，并且收到数据，那么进行读入。  
18.         \{  
19.           OnReadEpoll (i);  
20.        \}  
21.       OnWriteEpoll (i);//查看当前的活动连接是否有需要写出的数据。  
22.     \}   
23.     **catch** (**int**)   
24.     \{  
25.       PRINTF ("CATCH捕获错误/n");  
26.       **continue**;  
27.     \}  
28.   \}  
29.   m\_bOnTimeChecking = TRUE;  
30.   OnTimer ();//进行一些定时的操作，主要就是删除一些短线用户等。  
31. \}

Epoll模型主要负责对大量并发用户的请求进行及时处理，完成服务器与客户端的数据交互。其具体的实现步骤如下：  
(a) 使用epoll\_create()函数创建文件描述，设定将可管理的最大socket描述符数目。  
(b) 创建与epoll关联的接收线程，应用程序可以创建多个接收线程来处理epoll上的读通知事件，线程的数量依赖于程序的具体需要。  
(c) 创建一个侦听socket描述符ListenSock；将该描述符设定为非阻塞模式，调用Listen（）函数在套接字上侦听有无新的连接请求，在epoll\_event结构中设置要处理的事件类型EPOLLIN，工作方式为 epoll\_ET，以提高工作效率，同时使用epoll\_ctl()注册事件，最后启动网络监视线程。  
(d) 网络监视线程启动循环，epoll\_wait()等待epoll事件发生。  
(e) 如果epoll事件表明有新的连接请求，则调用accept（）函数，将用户socket描述符添加到epoll\_data联合体，同时设定该描述符为非阻塞，并在epoll\_event结构中设置要处理的事件类型为读和写，工作方式为epoll\_ET.  
(f) 如果epoll事件表明socket描述符上有数据可读，则将该socket描述符加入可读队列，通知接收线程读入数据，并将接收到的数据放入到接收数据的链表中，经逻辑处理后，将反馈的数据包放入到发送数据链表中，等待由发送线程发送。

[view plain]: http://blog.csdn.net/msda/article/details/5706315#
[cpp]: http://www.cppblog.com/Khan/archive/2008/04/02/46013.html