linux epoll机制详解

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。

linux epoll机制详解

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 8888 ,192.168.1.161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。

总结

以上就是本文关于linux epoll机制详解的全部内容,希望对大家有所帮助。感兴趣的朋友可以继续参阅本站其他相关专题,如有不足之处,欢迎留言指出。感谢朋友们对本站的支持!

原文链接:http://blog.csdn.net/u010657219/article/details/44061629

原创文章,作者:SLYND,如若转载,请注明出处:https://www.wangzhanshi.com/n/6404.html

(0)
SLYND的头像SLYND
上一篇 2025年1月1日 16:21:50
下一篇 2025年1月1日 16:21:55

相关推荐

发表回复

登录后才能评论