Epoll模型详解

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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,但这似乎并不治本。

epoll的接口非常简单,一共就三个函数:

1. int epoll_create(int size);

创建一个epoll的句柄,size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。这个参数不同于select()中的第一个参数,给出最大监听的fd+1的值。需要注意的是,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. int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

epoll的事件注册函数,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,而是在这里先注册要监听的事件类型。

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fd,

第四个参数是告诉内核需要监听什么事,struct epoll_event结构如下:

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 :     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

3. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

等待事件的产生,类似于select()调用。参数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,参数timeout是超时时间(毫秒,0会立即返回,-1将不确定,也有说法说是永久阻塞)。该函数返回需要处理的事件数目,如返回0表示已超时。

从man手册中,得到ET和LT的具体描述如下

EPOLL事件有两种模型:

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)  水平触发 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(这句话不理解)。

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。(未测试)

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.

ssize_t socket_send(int sockfd, const char* buffer, size_t buflen)

{

ssize_t tmp;

size_t total = buflen;

const char *p = buffer;

while(1)

{

tmp = send(sockfd, p, total, 0);

if(tmp < 0)

{

// 当send收到信号时,可以继续写,但这里返回-1.

if(errno == EINTR)

return -1;

// 当socket是非阻塞时,如返回此错误,表示写缓冲队列已满,

// 在这里做延时后再重试.

if(errno == EAGAIN)

{

usleep(1000);

continue;

}

return -1;

}

if((size_t)tmp == total)

return buflen;

total -= tmp;

p += tmp;

}

return tmp;

}

代码:

#include <iostream>

#include <sys/socket.h>

#include <sys/epoll.h>

#include <netinet/in.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <fcntl.h>

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

#include <pthread.h>

#include <errno.h>

#define MAXLINE 10

#define OPEN_MAX 100

#define LISTENQ 20

#define SERV_PORT 5555

#define INFTIM 1000

//线程池任务队列结构体

struct task

{

int fd; //需要读写的文件描述符

struct task *next; //下一个任务

};

//用于读写两个的两个方面传递参数

struct user_data

{

int fd;

unsigned int n_size;

char line[MAXLINE];

};

//线程的任务函数

void * readtask(void *args);

void * writetask(void *args);

//声明epoll_event结构体的变量,ev用于注册事件,数组用于回传要处理的事件

struct epoll_event ev, events[20];

int epfd;

pthread_mutex_t mutex;

pthread_cond_t cond1;

struct task *readhead = NULL, *readtail = NULL, *writehead = NULL;

void setnonblocking(int sock)

{

int opts;

opts = fcntl(sock, F_GETFL);

if (opts < 0)

{

perror(“fcntl(sock,GETFL)”);

exit(1);

}

opts = opts | O_NONBLOCK;

if (fcntl(sock, F_SETFL, opts) < 0)

{

perror(“fcntl(sock,SETFL,opts)”);

exit(1);

}

}

int main()

{

int i, maxi, listenfd, connfd, sockfd, nfds;

pthread_t tid1, tid2;

struct task *new_task = NULL;

struct user_data *rdata = NULL;

socklen_t clilen;

pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

pthread_cond_init(&cond1, NULL);

//初始化用于读线程池的线程

pthread_create(&tid1, NULL, readtask, NULL);

pthread_create(&tid2, NULL, readtask, NULL);

//生成用于处理accept的epoll专用的文件描述符

epfd = epoll_create(256);

struct sockaddr_in clientaddr;

struct sockaddr_in serveraddr;

listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

//把socket设置为非阻塞方式

setnonblocking(listenfd);

//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);

bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr));

serveraddr.sin_family = AF_INET;

char *local_addr = “200.200.200.222”;

inet_aton(local_addr, &(serveraddr.sin_addr));//htons(SERV_PORT);

serveraddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

bind(listenfd, (sockaddr *) &serveraddr, sizeof(serveraddr));

listen(listenfd, LISTENQ);

maxi = 0;

for (;;)

{

//等待epoll事件的发生

nfds = epoll_wait(epfd, events, 20, 500);

//处理所发生的所有事件

for (i = 0; i < nfds; ++i)

{

if (events[i].data.fd == listenfd)

{

connfd = accept(listenfd, (sockaddr *) &clientaddr, &clilen);

if (connfd < 0)

{

perror(“connfd<0″);

exit(1);

}

setnonblocking(connfd);

char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr);

std::cout << “connec_ from >>” << str << std::endl;

//设置用于读操作的文件描述符

ev.data.fd = connfd;

//设置用于注测的读操作事件

ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;

//注册ev

epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &ev);

} else

if (events[i].events & EPOLLIN)

{

printf(“reading!\n”);

if ((sockfd = events[i].data.fd) < 0) continue;

new_task = new task();

new_task->fd = sockfd;

new_task->next = NULL;

//添加新的读任务

pthread_mutex_lock(&mutex);

if (readhead == NULL)

{

readhead = new_task;

readtail = new_task;

} else

{

readtail->next = new_task;

readtail = new_task;

}

//唤醒所有等待cond1条件的线程

pthread_cond_broadcast(&cond1);

pthread_mutex_unlock(&mutex);

} else

if (events[i].events & EPOLLOUT)

{

rdata = (struct user_data *) events[i].data.ptr;

sockfd = rdata->fd;

write(sockfd, rdata->line, rdata->n_size);

delete rdata;

//设置用于读操作的文件描述符

ev.data.fd = sockfd;

//设置用于注测的读操作事件

ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;

//修改sockfd上要处理的事件为EPOLIN

epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, sockfd, &ev);

}

}

}

}

void * readtask(void *args)

{

int fd = -1;

unsigned int n;

//用于把读出来的数据传递出去

struct user_data *data = NULL;

while (1)

{

pthread_mutex_lock(&mutex);

//等待到任务队列不为空

while (readhead == NULL)

pthread_cond_wait(&cond1, &mutex);

fd = readhead->fd;

//从任务队列取出一个读任务

struct task *tmp = readhead;

readhead = readhead->next;

delete tmp;

pthread_mutex_unlock(&mutex);

data = new user_data();

data->fd = fd;

if ((n = read(fd, data->line, MAXLINE)) < 0)

{

if (errno == ECONNRESET)

{

close(fd);

} else

std::cout << “readline error” << std::endl;

if (data != NULL) delete data;

} else

if (n == 0)

{

close(fd);

printf(“Client close connect!\n”);

if (data != NULL) delete data;

} else

{

data->n_size = n;

//设置需要传递出去的数据

ev.data.ptr = data;

//设置用于注测的写操作事件

ev.events = EPOLLOUT | EPOLLET;

//修改sockfd上要处理的事件为EPOLLOUT

epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev);

}

}

}



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