I/O多路复用之epoll

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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I/O多路复用之epoll相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

介绍epoll的文章大多都具体介绍了epoll模型和select/poll模型之间的比較,这里就不再具体列举，仅仅总结一下我对这两个模型的看法：

1.要监视的文件句柄很多，并且每次完毕操作的句柄很少，使用epoll模型效率比select/poll模型要高很多；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点儿相同；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内核解说Linux TCP/IP实现。相当不错.作为一个现实世界中的实现，非常多时候你必须作非常多权衡。这时候參考一个久经考验的系统更有实际意义。

举个样例,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。不管应用层数据多大,sk_buff最小也有272的字节.事实上对于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版本号。只是主要还是修订第2版本号。当中第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操作能够马上返回，然后等待os告诉你IO操作完毕。

可是一直以来，怎样实现就没有一个完美的方案。最著名的windows完毕port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。你应用也须要一个线程池...... 非常多文档事实上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一直是修改最多的地方。2.4的年代就有非常多AIO内核patch,最著名的应该算是SGI那个。可是一直到2.6内核公布。网络模块的AIO一直没有进入稳定内核版本号(大部分都是使用用户线程模拟方法。在使用了NPTL的linux上面事实上和windows的完毕port基本上差点儿相同了)。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server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，事实上，假设加上no-block socket的配置。能够完毕一个"伪"AIO的实现，仅仅只是推动力在于你而不是os而已。只是传统的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开发版本号内核的任务，包含/dev/poll，realtime signal等等。终于。Davide Libenzi开发的epoll进入2.6内核成为正式的解决方式

2、epoll的长处
<1>支持一个进程打开大数目的socket描写叙述符(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。对于那些须要支持的上万连接数目的IMserver来说显然太少了。这时候你一是能够选择改动这个宏然后又一次编译内核。只是资料也同一时候指出这样会带来网络效率的下降，二是能够选择多进程的解决方式(传统的 Apache方案)，只是尽管linux上面创建进程的代价比較小。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。只是 epoll则没有这个限制，它所支持的FD上限是最大能够打开文件的数目，这个数字一般远大于2048,举个样例,在1GB内存的机器上大约是10万左右。详细数目能够cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般来说这个数目和系统内存关系非常大。

<2>IO效率不随FD数目添加而线性下降
    传统的select/poll还有一个致命弱点就是当你拥有一个非常大的socket集合。只是由于网络延时，任一时间仅仅有部分的socket是"活跃"的。可是select/poll每次调用都会线性扫描所有的集合，导致效率呈现线性下降。可是epoll不存在这个问题，它仅仅会对"活跃"的socket进行操作---这是由于在内核实现中epoll是依据每一个fd上面的callback函数实现的。那么，仅仅有"活跃"的socket才会主动的去调用 callback函数。其它idle状态socket则不会。在这点上，epoll实现了一个"伪"AIO。由于这时候推动力在os内核。在一些 benchmark中，假设全部的socket基本上都是活跃的---比方一个快速LAN环境。epoll并不比select/poll有什么效率。相反，假设过多使用epoll_ctl,效率相比还有略微的下降。可是一旦使用idle connections模拟WAN环境,epoll的效率就远在select/poll之上了。

 

3、epoll的用法

 

[cpp] view plaincopy
  1. //epoll的接口很easy，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同拥有多大。这个參数不同于select()中的第一个參数，给出最大监听的fd+1的值。须要注意的是，当创建好epoll句柄后，它就是会占用一个fd值。在linux下假设查看/proc/进程id/fd/，是可以看到这个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的事件注冊函数，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，而是在这里先注冊要监听的事件类型。

    第一个參数是epoll_create()的返回值，第二个參数表示动作，用三个宏来表示：  

  8. EPOLL_CTL_ADD：注冊新的fd到epfd中。  
  9. EPOLL_CTL_MOD：改动已经注冊的fd的监听事件；  
  10. EPOLL_CTL_DEL：从epfd中删除一个fd；  
  11. 第三个參数是须要监听的fd。第四个參数是告诉内核须要监听什么事，struct epoll_event结构例如以下：  
  12. struct epoll_event   
  13. {  
  14.   __uint32_t events;  /* Epoll events */  
  15.   epoll_data_t data;  /* User data variable */  
  16. };  
  17.   
  18. events能够是下面几个宏的集合：  
  19. EPOLLIN ：表示相应的文件描写叙述符能够读（包含对端SOCKET正常关闭）；  
  20. EPOLLOUT：表示相应的文件描写叙述符能够写；  
  21. EPOLLPRI：表示相应的文件描写叙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：表示相应的文件描写叙述符错误发生；  
  23. EPOLLHUP：表示相应的文件描写叙述符被挂断；  
  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：仅仅监听一次事件，当监听完这次事件之后，假设还须要继续监听这个socket的话。须要再次把这个socket增加到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。參数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，參数timeout是超时时间（毫秒，0会马上返回，-1将不确定，也有说法说是永久堵塞）。该函数返回须要处理的事件数目，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，当中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，之后的全部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)来查询全部的网络接口。看哪一个能够读，哪一个能够写了。主要的语法为：
nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1);
当中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里面将储存全部的读写事件。max_events是当前须要监听的全部socket句柄数。最后一个timeout是 epoll_wait的超时，为0的时候表示立即返回。为-1的时候表示一直等下去，直到有事件范围，为随意正整数的时候表示等这么长的时间，假设一直没有事件，则范围。一般假设网络主循环是单独的线程的话，能够用-1来等。这样能够保证一些效率。假设是和主逻辑在同一个线程的话。则能够用0来保证主循环的效率。

[cpp] view plaincopy
  1. //epoll_wait范围之后应该是一个循环，遍利全部的事件：  
  2. for(n = 0; n < nfds; ++n)   
  3. {  
  4.     if(events[n].data.fd == listener)   
  5.     { //假设是主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); // 将新连接置于非堵塞模式  
  13.          /*而且将新连接也增加EPOLL的监听队列。 
  14.          注意，这里的參数EPOLLIN | EPOLLET并没有设置对写socket的监听， 
  15.          假设有写操作的话，这个时候epoll是不会返回事件的， 
  16.          假设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,增加到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来降低一个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 // 假设不是主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。比方说read(fd,xxx)之类的，或者一些其它的处理。  
  30. }  

 

4.Linux下EPOll编程实例

[cpp] view plaincopy
  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，须要在初始化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)//假设新监測到一个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)//假设是已经连接的用户，而且收到数据。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须要写出的数据。

      

  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，完毕server与client的数据交互。其详细的实现过程例如以下：
(a) 使用epoll_create()函数创建文件描写叙述，设定将可管理的最大socket描写叙述符数目。
(b) 创建与epoll关联的接收线程。应用程序能够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详细须要。
(c) 创建一个侦听socket描写叙述符ListenSock；将该描写叙述符设定为非堵塞模式，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。同一时候使用epoll_ctl()注冊事件，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) 假设epoll事件表明有新的连接请求，则调用accept（）函数，将用户socket描写叙述符加入到epoll_data联合体，同一时候设定该描写叙述符为非堵塞，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) 假设epoll事件表明socket描写叙述符上有数据可读，则将该socket描写叙述符增加可读队列，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。

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