Kqueue与epoll机制

Posted 2020-06-19 HarvardFly

首先介绍阻塞与非阻塞：
阻塞是个什么概念呢？比如某个时候你在等快递，但是你不知道快递什么时候过来，而且你没有别的事可以干（或者说接下来的事要等快递来了才能做）；那么你可以去睡觉了，因为你知道快递把货送来时一定会给你打个电话（假定一定能叫醒你）。

非阻塞忙轮询。接着上面等快递的例子，如果用忙轮询的方法，那么你需要知道快递员的手机号，然后每分钟给他挂个电话：“你到了没？”

很明显一般人不会用第二种做法，不仅显很无脑，浪费话费不说，还占用了快递员大量的时间。
大部分程序也不会用第二种做法，因为第一种方法经济而简单，经济是指消耗很少的CPU时间，如果线程睡眠了，就掉出了系统的调度队列，暂时不会去瓜分CPU宝贵的时间片了。

为了了解阻塞是如何进行的，我们来讨论缓冲区，以及内核缓冲区，最终把I/O事件解释清楚。缓冲区的引入是为了减少频繁I/O操作而引起频繁的系统调用，当你操作一个流时，更多的是以缓冲区为单位进行操作，这是相对于用户空间而言。对于内核来说，也需要缓冲区。
假设有一个管道，进程A为管道的写入方，Ｂ为管道的读出方。

1. 假设一开始内核缓冲区是空的，B作为读出方，被阻塞着。然后首先A往管道写入，这时候内核缓冲区由空的状态变到非空状态，内核就会产生一个事件告诉Ｂ该醒来了，这个事件姑且称之为“缓冲区非空”。
2. 但是“缓冲区非空”事件通知B后，B却还没有读出数据；且内核许诺了不能把写入管道中的数据丢掉这个时候，Ａ写入的数据会滞留在内核缓冲区中，如果内核也缓冲区满了，B仍未开始读数据，最终内核缓冲区会被填满，这个时候会产生一个I/O事件，告诉进程A，你该等等（阻塞）了，我们把这个事件定义为“缓冲区满”。
3. 假设后来Ｂ终于开始读数据了，于是内核的缓冲区空了出来，这时候内核会告诉A，内核缓冲区有空位了，你可以从长眠中醒来了，继续写数据了，我们把这个事件叫做“缓冲区非满”
4. 也许事件Y1已经通知了A，但是A也没有数据写入了，而Ｂ继续读出数据，知道内核缓冲区空了。这个时候内核就告诉B，你需要阻塞了！，我们把这个时间定为“缓冲区空”。

这四个情形涵盖了四个I/O事件，缓冲区满，缓冲区空，缓冲区非空，缓冲区非满（说的内核缓冲区）。这四个I/O事件是进行阻塞同步的根本。

阻塞I/O模式下，一个线程只能处理一个流的I/O事件。如果想要同时处理多个流，要么多进程(fork)，要么多线程(pthread_create)，很不幸这两种方法效率都不高。
于是再来考虑非阻塞忙轮询的I/O方式，我们发现我们可以同时处理多个流了：

while true {
for i in stream[]; {
if i has data
read until unavailable
}
}

 

我们只要不停的把所有流从头到尾问一遍，又从头开始。这样就可以处理多个流了，但这样的做法显然不好，因为如果所有的流都没有数据，那么只会白白浪费CPU。阻塞模式下，内核对于I/O事件的处理是阻塞或者唤醒，而非阻塞模式下则把I/O事件交给其他对象。

为了避免CPU空转，可以引进了一个代理（select）。这个代理可以同时观察许多流的I/O事件，在空闲的时候，会把当前线程阻塞掉，当有一个或多个流有I/O事件时，就从阻塞态中醒来，于是我们的程序就会轮询一遍所有的流。

while true {
select(streams[])
for i in streams[] {
if i has data
read until unavailable
}
}

 

如果没有I/O事件产生，我们的程序就会阻塞在select处。但是依然有个问题，我们从select那里仅仅知道了，有I/O事件发生了，但却并不知道是那几个流（可能有一个，多个，甚至全部），我们只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。
但是使用select，我们有O(n)的无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，每一次无差别轮询时间就越长。

select/poll是通过轮询的方法来获得就绪的状态，调用select/poll后就阻塞住，直到有就绪的文件描述符，或者超时，或者被中断。返回值是就绪的文件描述符的个数，需要遍历作为参数传入的文件描述符的位域或数组获得哪个文件描述符。

所以引入epoll：
epoll可以理解为event poll，不同于忙轮询和无差别轮询，epoll之会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们。此时我们对这些流的操作都是有意义的。（复杂度降低到了O(k)，k为产生I/O事件的流的个数，也有认为O(1)）

epoll是通过后台中断的方式来获得就绪的状态，调用epoll_create创建实例，调用epoll_ctl添加或删除监控的文件描述符，调用epoll_wait阻塞住，直到有就绪的文件描述符，通过epoll_event参数返回就绪状态的文件描述符和事件

• epoll_create 创建一个epoll对象，一般epollfd = epoll_create()
• epoll_ctl （epoll_add/epoll_del的合体），往epoll对象中增加/删除某一个流的某一个事件
  比如
  epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socket, EPOLLIN);//有缓冲区内有数据时epoll_wait返回
  epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, socket, EPOLLOUT);//缓冲区可写入时epoll_wait返回
• epoll_wait(epollfd,...)等待直到注册的事件发生

（注：当对一个非阻塞流的读写发生缓冲区满或缓冲区空，write/read会返回-1，并设置errno=EAGAIN。而epoll只关心缓冲区非满和缓冲区非空事件）。
一个epoll模式的代码如：

while true {
active_stream[] = epoll_wait(epollfd)
for i in active_stream[] {
read or write till unavailable
}
}

epoll的原理就是：
你把要监控读写的文件交给内核（epoll_add)
设置你关心的事件（epoll_ctl），比如读事件
然后等（epoll_wait），此时，如果没有哪个文件有你关心的事件，则休眠，直到有事件，被唤醒
然后返回那些事件实现并发，还需要配合非阻塞的读写。这样就可以一下搜集一大把文件（套接字），然后一下读写一大把文件（不会因为某个文件慢而阻塞），这样来实现并发。

epoll的优势在于，由接收数据的OS来负责通知你有数据可以操作，因为OS是知道什么时候有数据的。
仍然用快递例子来说，ePoll的优势就是，你可以随便做其他的事情，当有快递来的时候，他给你打电话让你来拿，你空了的时候下来拿就好了。
不像阻塞那样需要一直在窗边看着快递来没来，也不需要像select那样不停地打电话问快递来没来。尤其是在快递比较多的时候，select需要问快递你没有你的快递，快递说有的时候，你还需要逐个问某一个包裹到没到；ePoll会直接告诉你，你的哪个包裹的快递到了。

 

kqueue与epoll非常相似，最初是2000年Jonathan Lemon在FreeBSD系统上开发的一个高性能的事件通知接口。注册一批socket描述符到 kqueue 以后，当其中的描述符状态发生变化时，kqueue 将一次性通知应用程序哪些描述符可读、可写或出错了。

kqueue的接口包括 kqueue()、kevent() 两个系统调用和 struct kevent 结构：

1. kqueue() 生成一个内核事件队列，返回该队列的文件描述符。其它 API 通过该描述符操作这个 kqueue。
2. kevent() 提供向内核注册 / 反注册事件和返回就绪事件或错误事件。
3. struct kevent 就是kevent()操作的最基本的事件结构。

struct kevent { 
     uintptr_t ident;       /* 事件 ID */ 
     short     filter;       /* 事件过滤器 */ 
     u_short   flags;        /* 行为标识 */ 
     u_int     fflags;       /* 过滤器标识值 */ 
     intptr_t  data;         /* 过滤器数据 */ 
     void      *udata;       /* 应用透传数据 */ 
 };

在一个 kqueue 中，{ident, filter} 确定一个唯一的事件：

• ident

  事件的 id，一般设置为文件描述符。

• filter

  可以将 kqueue filter 看作事件。内核检测 ident 上注册的 filter 的状态，状态发生了变化，就通知应用程序。kqueue 定义了较多的 filter：

   与socket读写相关的filter：

1. EVFILT_READ：TCP 监听 socket，如果在完成的连接队列 ( 已收三次握手最后一个 ACK) 中有数据，此事件将被通知。收到该通知的应用一般调用 accept()，且可通过 data 获得完成队列的节点个数。 流或数据报 socket，当协议栈的 socket 层接收缓冲区有数据时，该事件会被通知，并且 data 被设置成可读数据的字节数。
2. EVFILT_WRIT：当 socket 层的写入缓冲区可写入时，该事件将被通知；data 指示目前缓冲区有多少字节空闲空间。

　　

   行为标志flags：

1. EV_ADD：指示加入事件到 kqueue
2. EV_DELETE：指示将传入的事件从 kqueue 中移除

　　

　过滤器标识值：

1. EV_ENABLE：过滤器事件可用，注册一个事件时，默认是可用的。
2. EV_DISABLE：过滤器事件不可用，当内部描述可读或可写时，将不通知应用程序。

 

注册事件到 kqueue

bool Register(int kq, int fd) 
{ 
      struct kevent changes[1]; 
      EV_SET(&changes[0], fd, EVFILT_READ, EV_ADD, 0, 0, NULL); 
  
      int ret = kevent(kq, changes, 1, NULL, 0, NULL); 
  
      return true; 
} 

 Register 将 fd 注册到 kq 中。注册的方法是通过 kevent() 将 eventlist 和 neventlist 置成 NULL 和 0 来达到的。

人们一般将 socket IO 设置成非阻塞模式，以提高读写性能的同时，避免 IO 读写不小心被锁定。为了达到某种目的，有人会通过 getsocketopt 来偷看 socket 读缓冲区的数据大小或写缓区可用空间的大小。在 kevent 返回时，将读写缓冲区的可读字节数或可写空间大小告诉应用程序。基于这个特性，使用 kqueue 的应用一般不使用非阻塞 IO。每次读时，根据 kevent 返回的可读字节大小，将接收缓冲区中的数据一次性读完；而发送数据时，也根据 kevent 返回的写缓冲区可写空间的大小，一次只发可写空间大小的数据。