IO复用之epoll系列

Posted 2020-12-30 ghzz

epoll是什么？

epoll是Linux内核为处理大批量文件描述符而作了改进的poll，是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本，它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。另一点原因就是获取事件的时候，它无须遍历整个被侦听的描述符集，只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符集合就行了。epoll除了提供select/poll那种IO事件的水平触发（Level Triggered）外，还提供了边缘触发（Edge Triggered），这就使得用户空间程序有可能缓存IO状态，减少epoll_wait/epoll_pwait的调用，提高应用程序效率

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　----摘自百度百科

在linux的网络编程中，很长的时间都在使用select来做事件触发。在linux新的内核中，有了一种替换它的机制，就是epoll。

相比于select，epoll最大的好处在于它不会随着监听fd数目的增长而降低效率。因为在内核中的select实现中，它是采用轮询来处理的，轮询的fd数目越多，自然耗时越多。并且，在etc/linux/posix_types.h头文件有这样的声明：

#define __FD_SETSIZE    1024

表示select最多同时监听1024个fd，当然，可以通过修改头文件再重编译内核来扩大这个数目。

epoll的相关接口

创建一个文件句柄

 #include <sys/epoll.h>
 int epoll_create(int size);

 

创建一个 epoll 对象，这里类似于创建管道，但是这里返回的是一个标识该软件资源的文件描述符，在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽

 

epoll的事件注册函数

#include <sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

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：

　　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；

第三个参数是需要监听的文件描述符，

第四个参数为一个结构体指针，这个结构体中的信息为告诉内核需要监听什么事件 

struct epoll_event结构如下：

struct epoll_event {

  __uint32_t events;  /* Epoll events */

  epoll_data_t data;  /* User data variable */

};

typedef union epoll_data 
 {
         void        *ptr;
         int          fd;
         uint32_t     u32;
         uint64_t     u64;
 } epoll_data_t;

events可以是以下几个宏的集合：

EPOLLIN ：     表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；

EPOLLOUT：    表示对应的文件描述符可以写；

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(Edge Triggered)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

 

data 为联合体，用来保存用户自定制数据，传什么类型的数据，就对联合体里面的哪个数据进行赋值

这里的data 在一般情况下用保存对应的文件描述符

 

epoll的事件等待函数

#include <sys/epoll.h>
 int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,
                      int maxevents, int timeout);

第一个参数为我们创建的epoll模型

第二个参数为事件数组

第三个为数组大小

第四个参数为超时时间

epoll对文件描述符的两种操作模式

Edge Triggered (ET)  边缘触发只有数据到来，才触发，不管缓存区中是否还有数据。

Level Triggered (LT)  电平触发只要有数据都会触发。

假如有这样一个例子：

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)......

 

Edge Triggered 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，那么在第5步调用epoll_wait(2)之后将有可能会挂起，因为剩余的数据还存在于文件的输入缓冲区内，而且数据发出端还在等待一个针对已经发出数据的反馈信息。只有在监视的文件句柄上发生了某个事件的时候 ET 工作模式才会汇报事件。因此在第5步的时候，调用者可能会放弃等待仍在存在于文件输入缓冲区内的剩余数据。在上面的例子中，会有一个事件产生在RFD句柄上，因为在第2步执行了一个写操作，然后，事件将会在第3步被销毁。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。最好以下面的方式调用ET模式的epoll接口，在后面会介绍避免可能的缺陷。

   i    基于非阻塞文件句柄

   ii   只有当read(2)或者write(2)返回EAGAIN时才需要挂起，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，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。

 

Level Triggered 工作模式

相反的，以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。因为即使使用ET模式的epoll，在收到多个chunk的数据的时候仍然会产生多个事件。调用者可以设定EPOLLONESHOT标志，在 epoll_wait(2)收到事件后epoll会与事件关联的文件句柄从epoll描述符中禁止掉。因此当EPOLLONESHOT设定后，使用带有 EPOLL_CTL_MOD标志的epoll_ctl(2)处理文件句柄就成为调用者必须作的事情。

然后详细解释ET, LT:

LT(level triggered)是缺省的工作方式，并且同时支持block和no-block socket.在这种做法中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的，所以，这种模式编程出错误可能性要小一点。传统的select/poll都是这种模型的代表．

ET(edge-triggered)是高速工作方式，只支持no-block socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉你。然后它会假设你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，直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了(比如，你在发送，接收或者接收请求，或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK 错误）。但是请注意，如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪)，内核不会发送更多的通知(only once),不过在TCP协议中，ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark确认（在许多测试中我们会看到如果没有大量的idle -connection或者dead-connection，epoll的效率并不会比select/poll高很多，但是当我们遇到大量的idle- connection(例如WAN环境中存在大量的慢速连接)，就会发现epoll的效率大大高于select/poll。

另外，当使用epoll的ET模型来工作时，当产生了一个EPOLLIN事件后，

读数据的时候需要考虑的是当recv()返回的大小如果等于请求的大小，那么很有可能是缓冲区还有数据未读完，也意味着该次事件还没有处理完，所以还需要再次读取

while(rs)
    {
        buflen = recv(activeevents[i].data.fd, buf, sizeof(buf), 0);
        if(buflen < 0) {
            // 由于是非阻塞的模式,所以当errno为EAGAIN时,表示当前缓冲区已无数据可读
            // 在这里就当作是该次事件已处理处.
            if(errno == EAGAIN)
                break;
            else
                return;
        } else if(buflen == 0) {
            // 这里表示对端的socket已正常关闭.
        }
        if(buflen == sizeof(buf)
                rs = 1;   // 需要再次读取
                else
                rs = 0;
    }

还有，假如发送端流量大于接收端的流量(意思是epoll所在的程序读比转发的socket要快),由于是非阻塞的socket,那么send()函数虽然返回,但实际缓冲区的数据并未真正发给接收端,这样不断的读和发，当缓冲区满后会产生EAGAIN错误(参考man send),同时,不理会这次请求发送的数据.所以,需要封装socket_send()的函数用来处理这种情况,该函数会尽量将数据写完再返回，返回-1表示出错。在socket_send()内部,当写缓冲已满(send()返回-1,且errno为EAGAIN),那么会等待后再重试.这种方式并不很完美,在理论上可能会长时间的阻塞在socket_send()内部,但暂没有更好的办法.

epoll的工作原理

1.创建epoll模型 
调用epoll_create()之后，内核会做3件事情 
（1）在操作系统底层（硬件驱动，网卡）构建会调机制 
（2）在操作系统层构建一颗红黑树（一种相对平衡的二叉搜索树），树的每个节点用来保存用户关心的事件（即用户关心的文件描述符和所关心的事件类型） 
（3）在操作系统层构建一个就绪队列，保存众多事件中已经就绪的事件 
2.用户控制事件 
（1） 用户通过调用epoll_ctl()实现实现告诉操作系统，你现在要关心的文件描述符和关心的事件类型 
（2）操作系统会将这一事件保存在红黑树中 
3.内核激活事件 
（1）操作系统得知网卡（文件）上面有数据就绪时（硬件机制），激活该事件，将其存入就绪队列中 
（2）用户调用epoll_wait()返回时，返回的为就绪队列中就绪的事件 
我们说的epoll_wait()实现是O(1)的时间复杂度，只需要关注就绪队列是否为空,不为空就将事件复制到用户态