epoll详解

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了epoll详解相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

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。在大数据、高并发、集群等一些名词唱得火热之年代,select和poll的用武之地越来越有限,风头已经被epoll占尽。

本文便来介绍epoll的实现机制,并附带讲解一下select和poll。通过对比其不同的实现机制,真正理解为何epoll能实现高并发。

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。

拿select模型为例,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。

因此,该epoll上场了。

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。

下面来看看Linux内核具体的epoll机制实现思路。

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:

 
  1. struct eventpoll{

  2. ....

  3. /*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*/

  4. struct rb_root rbr;

  5. /*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*/

  6. struct list_head rdlist;

  7. ....

  8. };

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:

 
  1. struct epitem{

  2. struct rb_node rbn;//红黑树节点

  3. struct list_head rdllink;//双向链表节点

  4. struct epoll_filefd ffd; //事件句柄信息

  5. struct eventpoll *ep; //指向其所属的eventpoll对象

  6. struct epoll_event event; //期待发生的事件类型

  7. }

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.jpg

epoll数据结构示意图

从上面的讲解可知: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。

OK,讲解完了Epoll的机理,我们便能很容易掌握epoll的用法了。一句话描述就是:三步曲。

第一步:epoll_create()系统调用。此调用返回一个句柄,之后所有的使用都依靠这个句柄来标识。

第二步:epoll_ctl()系统调用。通过此调用向epoll对象中添加、删除、修改感兴趣的事件,返回0标识成功,返回-1表示失败。

第三部:epoll_wait()系统调用。通过此调用收集收集在epoll监控中已经发生的事件。

最后,附上一个epoll编程实例。(作者为sparkliang)

 
  1. //

  2. // a simple echo server using epoll in linux

  3. //

  4. // 2009-11-05

  5. // 2013-03-22:修改了几个问题,1是/n格式问题,2是去掉了原代码不小心加上的ET模式;

  6. // 本来只是简单的示意程序,决定还是加上 recv/send时的buffer偏移

  7. // by sparkling

  8. //

  9. #include <sys/socket.h>

  10. #include <sys/epoll.h>

  11. #include <netinet/in.h>

  12. #include <arpa/inet.h>

  13. #include <fcntl.h>

  14. #include <unistd.h>

  15. #include <stdio.h>

  16. #include <errno.h>

  17. #include <iostream>

  18. using namespace std;

  19. #define MAX_EVENTS 500

  20. struct myevent_s

  21. {

  22. int fd;

  23. void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);

  24. int events;

  25. void *arg;

  26. int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in

  27. char buff[128]; // recv data buffer

  28. int len, s_offset;

  29. long last_active; // last active time

  30. };

  31. // set event

  32. void EventSet(myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void*), void *arg)

  33. {

  34. ev->fd = fd;

  35. ev->call_back = call_back;

  36. ev->events = 0;

  37. ev->arg = arg;

  38. ev->status = 0;

  39. bzero(ev->buff, sizeof(ev->buff));

  40. ev->s_offset = 0;

  41. ev->len = 0;

  42. ev->last_active = time(NULL);

  43. }

  44. // add/mod an event to epoll

  45. void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev)

  46. {

  47. struct epoll_event epv = {0, {0}};

  48. int op;

  49. epv.data.ptr = ev;

  50. epv.events = ev->events = events;

  51. if(ev->status == 1){

  52. op = EPOLL_CTL_MOD;

  53. }

  54. else{

  55. op = EPOLL_CTL_ADD;

  56. ev->status = 1;

  57. }

  58. if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0)

  59. printf("Event Add failed[fd=%d], evnets[%d]\\n", ev->fd, events);

  60. else

  61. printf("Event Add OK[fd=%d], op=%d, evnets[%0X]\\n", ev->fd, op, events);

  62. }

  63. // delete an event from epoll

  64. void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev)

  65. {

  66. struct epoll_event epv = {0, {0}};

  67. if(ev->status != 1) return;

  68. epv.data.ptr = ev;

  69. ev->status = 0;

  70. epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);

  71. }

  72. int g_epollFd;

  73. myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd

  74. void RecvData(int fd, int events, void *arg);

  75. void SendData(int fd, int events, void *arg);

  76. // accept new connections from clients

  77. void AcceptConn(int fd, int events, void *arg)

  78. {

  79. struct sockaddr_in sin;

  80. socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);

  81. int nfd, i;

  82. // accept

  83. if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1)

  84. {

  85. if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)

  86. {

  87. }

  88. printf("%s: accept, %d", __func__, errno);

  89. return;

  90. }

  91. do

  92. {

  93. for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)

  94. {

  95. if(g_Events[i].status == 0)

  96. {

  97. break;

  98. }

  99. }

  100. if(i == MAX_EVENTS)

  101. {

  102. printf("%s:max connection limit[%d].", __func__, MAX_EVENTS);

  103. break;

  104. }

  105. // set nonblocking

  106. int iret = 0;

  107. if((iret = fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0)

  108. {

  109. printf("%s: fcntl nonblocking failed:%d", __func__, iret);

  110. break;

  111. }

  112. // add a read event for receive data

  113. EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]);

  114. EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, &g_Events[i]);

  115. }while(0);

  116. printf("new conn[%s:%d][time:%d], pos[%d]\\n", inet_ntoa(sin.sin_addr),

  117. ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active, i);

  118. }

  119. // receive data

  120. void RecvData(int fd, int events, void *arg)

  121. {

  122. struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;

  123. int len;

  124. // receive data

  125. len = recv(fd, ev->buff+ev->len, sizeof(ev->buff)-1-ev->len, 0);

  126. EventDel(g_epollFd, ev);

  127. if(len > 0)

  128. {

  129. ev->len += len;

  130. ev->buff[len] = '\\0';

  131. printf("C[%d]:%s\\n", fd, ev->buff);

  132. // change to send event

  133. EventSet(ev, fd, SendData, ev);

  134. EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT, ev);

  135. }

  136. else if(len == 0)

  137. {

  138. close(ev->fd);

  139. printf("[fd=%d] pos[%d], closed gracefully.\\n", fd, ev-g_Events);

  140. }

  141. else

  142. {

  143. close(ev->fd);

  144. printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\\n", fd, errno, strerror(errno));

  145. }

  146. }

  147. // send data

  148. void SendData(int fd, int events, void *arg)

  149. {

  150. struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;

  151. int len;

  152. // send data

  153. len = send(fd, ev->buff + ev->s_offset, ev->len - ev->s_offset, 0);

  154. if(len > 0)

  155. {

  156. printf("send[fd=%d], [%d<->%d]%s\\n", fd, len, ev->len, ev->buff);

  157. ev->s_offset += len;

  158. if(ev->s_offset == ev->len)

  159. {

  160. // change to receive event

  161. EventDel(g_epollFd, ev);

  162. EventSet(ev, fd, RecvData, ev);

  163. EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, ev);

  164. }

  165. }

  166. else

  167. {

  168. close(ev->fd);

  169. EventDel(g_epollFd, ev);

  170. printf("send[fd=%d] error[%d]\\n", fd, errno);

  171. }

  172. }

  173. void InitListenSocket(int epollFd, short port)

  174. {

  175. int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

  176. fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking

  177. printf("server listen fd=%d\\n", listenFd);

  178. EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVENTS]);

  179. // add listen socket

  180. EventAdd(epollFd, EPOLLIN, &g_Events[MAX_EVENTS]);

  181. // bind & listen

  182. sockaddr_in sin;

  183. bzero(&sin, sizeof(sin));

  184. sin.sin_family = AF_INET;

  185. sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

  186. sin.sin_port = htons(port);

  187. bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin));

  188. listen(listenFd, 5);

  189. }

  190. int main(int argc, char **argv)

  191. {

  192. unsigned short port = 12345; // default port

  193. if(argc == 2){

  194. port = atoi(argv[1]);

  195. }

  196. // create epoll

  197. g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS);

  198. if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d\\n", g_epollFd);

  199. // create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking

  200. InitListenSocket(g_epollFd, port);

  201. // event loop

  202. struct epoll_event events[MAX_EVENTS];

  203. printf("server running:port[%d]\\n", port);

  204. int checkPos = 0;

  205. while(1){

  206. // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event

  207. long now = time(NULL);

  208. for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd

  209. {

  210. if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle

  211. if(g_Events[checkPos].status != 1) continue;

  212. long duration = now - g_Events[checkPos].last_active;

  213. if(duration >= 60) // 60s timeout

  214. {

  215. close(g_Events[checkPos].fd);

  216. printf("[fd=%d] timeout[%d--%d].\\n", g_Events[checkPos].fd, g_Events[checkPos].last_active, now);

  217. EventDel(g_epollFd, &g_Events[checkPos]);

  218. }

  219. }

  220. // wait for events to happen

  221. int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000);

  222. if(fds < 0){

  223. printf("epoll_wait error, exit\\n");

  224. break;

  225. }

  226. for(int i = 0; i < fds; i++){

  227. myevent_s *ev = (struct myevent_s*)events[i].data.ptr;

  228. if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN)) // read event

  229. {

  230. ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);

  231. }

  232. if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT)) // write event

  233. {

  234. ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);

  235. }

  236. }

  237. }

  238. // free resource

  239. return 0;

以上是关于epoll详解的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

五种高阶IO模型以及多路转接技术(selectpoll和epoll)及其代码验证

五种高阶IO模型以及多路转接技术(selectpoll和epoll)及其代码验证

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epoll介绍及原理详解

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