linux epoll机制详解

Z时代
2024-01-10
分类：综合

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。

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; 
}