Linux下的非阻塞IO库epoll


今天看到一篇文章,对于epoll讲解的非常生动清晰,转载收藏一下,原文请点击here

生活中的一个例子

假设你在大学中读书,要等待一个朋友来访,而这个朋友只知道你在A号楼,但是不知道你具体住在哪里,于是你们约好了在A号楼门口见面。如果你使用的阻塞IO模型来处理这个问题,那么你就只能一直守候在A号楼门口等待朋友的到来,在这段时间里你不能做别的事情,不难知道,这种方式的效率是低下的。

进一步解释select和epoll模型的差异。select版大妈做的是如下的事情:比如同学甲的朋友来了,select版大妈比较笨,她带着朋友挨个房间进行查询谁是同学甲,你等的朋友来了,于是在实际的代码中,select版大妈做的是以下的事情:

int n = select(&readset, NULL, NULL, 100); 
for (int i = 0; n > 0; ++i) {
     if (FD_ISSET(fdarray[i], &readset)) {
         do_something(fdarray[i]); --n; 
    } 
}

epoll版大妈就比较先进了,她记下了同学甲的信息,比如说他的房间号,那么等同学甲的朋友到来时,只需要告诉该朋友同学甲在哪个房间即可,不用自己亲自带着人满大楼的找人了,于是epoll版大妈做的事情可以用如下的代码表示:

n = epoll_wait(epfd, events, 20, 500);
     for(i=0;i<n;++i) { do_something(events[n]);
}

在epoll中,关键的数据结构epoll_event定义如下:

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 */
 };

可以看到,epoll_data是一个union结构体,它就是epoll版大妈用于保存同学信息的结构体,它可以保存很多类型的信息:fd,指针,等等。有了这个结构体,epoll大妈可以不用吹灰之力就可以定位到同学甲。

别小看了这些效率的提高,在一个大规模并发的服务器中,轮询IO是最耗时间的操作之一。再回到那个例子中,如果每到来一个朋友楼管大妈都要全楼的查询同学,那么处理的效率必然就低下了,过不久楼底就有不少的人了。

对比最早给出的阻塞IO的处理模型,可以看到采用了多路复用IO之后,程序可以自由的进行自己除了IO操作之外的工作,只有到IO状态发生变化的时候由多路复用IO进行通知,然后再采取相应的操作,而不用一直阻塞等待IO状态发生变化了。

从上面的分析也可以看出,epoll比select的提高实际上是一个用空间换时间思想的具体应用。

深入理解epoll的实现原理

开发高性能网络程序时,windows开发者们言必称iocp,linux开发者们则言必称epoll。大家都明白epoll是一种IO多路复用技术,可以非常高效的处理数以百万计的socket句柄,比起以前的select和poll效率高大发了。我们用起epoll来都感觉挺爽,确实快,那么,它到底为什么可以高速处理这么多并发连接呢?先简单回顾下如何使用C库封装的3个epoll系统调用吧。

int epoll_create(int size); 
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); 
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,int maxevents, int timeout);

使用起来很清晰,首先要调用epoll_create建立一个epoll对象。参数size是内核保证能够正确处理的最大句柄数,多于这个最大数时内核可不保证效果。epoll_ctl可以操作上面建立的epoll,例如,将刚建立的socket加入到epoll中让其监控,或者把 epoll正在监控的某个socket句柄移出epoll,不再监控它等等。epoll_wait在调用时,在给定的timeout时间内,当在监控的所有句柄中有事件发生时,就返回用户态的进程。

从上面的调用方式就可以看到epoll比select/poll的优越之处:

因为后者每次调用时都要传递你所要监控的所有socket给select/poll系统调用,这意味着需要将用户态的socket列表copy到内核态,如果以万计的句柄会导致每次都要copy几十几百KB的内存到内核态,非常低效。而我们调用epoll_wait时就相当于以往调用select/poll,但是这时却不用传递socket句柄给内核,因为内核已经在epoll_ctl中拿到了要监控的句柄列表。

所以,实际上在你调用epoll_create后,内核就已经在内核态开始准备帮你存储要监控的句柄了,每次调用epoll_ctl只是在往内核的数据结构里塞入新的socket句柄。

在内核里,一切皆文件。所以,epoll向内核注册了一个文件系统,用于存储上述的被监控socket。当你调用epoll_create时,就会在这个虚拟的epoll文件系统里创建一个file结点。当然这个file不是普通文件,它只服务于epoll。epoll在被内核初始化时(操作系统启动),同时会开辟出epoll自己的内核高速cache区,用于安置每一个我们想监控的socket,这些socket会以红黑树的形式保存在内核cache里,以支持快速的查找、插入、删除。这个内核高速cache区,就是建立连续的物理内存页,然后在之上建立slab层,简单的说,就是物理上分配好你想要的size的内存对象,每次使用时都是使用空闲的已分配好的对象。

static int __init eventpoll_init(void) { 
    ... ... 
    /* Allocates slab cache used to allocate "struct epitem" items */ 
    epi_cache = kmem_cache_create("eventpoll_epi", sizeof(struct  epitem), 0, SLAB_HWCACHE_ALIGN| EPI_SLAB_DEBUG|SLAB_PANIC, NULL, NULL); 
    /* Allocates slab cache used to allocate "struct eppoll_entry" */ 
    pwq_cache = kmem_cache_create("eventpoll_pwq", sizeof(struct eppoll_entry), 0, EPI_SLAB_DEBUG|SLAB_PANIC, NULL, NULL); 
    ... ...

epoll的高效就在于,当我们调用epoll_ctl往里塞入百万个句柄时,epoll_wait仍然可以飞快的返回,并有效的将发生事件的句柄给我们用户。

这是由于我们在调用epoll_create时,内核除了帮我们在epoll文件系统里建了个file结点,在内核cache里建了个红黑树用于存储以后epoll_ctl传来的socket外,还会再建立一个list链表,用于存储准备就绪的事件,当epoll_wait调用时,仅仅观察这个list链表里有没有数据即可。有数据就返回,没有数据就sleep,等到timeout时间到后即使链表没数据也返回。所以,epoll_wait非常高效。

那么,这个准备就绪list链表是怎么维护的呢?当我们执行epoll_ctl时,除了把socket放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上之外,还会给内核中断处理程序注册一个回调函数,告诉内核,如果这个句柄的中断到了,就把它放到准备就绪list链表里。所以,当一个socket上有数据到了,内核在把网卡上的数据copy到内核中后就来把socket插入到准备就绪
链表里了。

如此,一颗红黑树,一张准备就绪句柄链表,少量的内核cache,就帮我们解决了大并发下的socket处理问题。执行epoll_create时,创建了红黑树和就绪链表,执行epoll_ctl时,如果增加socket句柄,则检查在红黑树中是否存在,存在立即返回,不存在则添加到树干上,然后向内核注册回调函数,用于当中断事件来临时向准备就绪链表中插入数据。执行epoll_wait时立刻返回准备就绪链表里的数据即可。

最后看看epoll独有的两种模式LT和ET。无论是LT和ET模式,都适用于以上所说的流程。区别是,LT模式下,只要一个句柄上的事件一次没有处理完,会在以后调用epoll_wait时次次返回这个句柄,而ET模式仅在第一次返回。

这件事怎么做到的呢?当一个socket句柄上有事件时,内核会把该句柄插入上面所说的准备就绪list链表,这时我们调用epoll_wait,会把准备就绪的socket拷贝到用户态内存,然后清空准备就绪list链表,最后,epoll_wait干了件事,就是检查这些socket,如果不是ET模式(就是LT模式的句柄了),并且这些socket上确实有未处理的事件时,又把该句柄放回到刚刚清空的准备就绪链表了。

所以,非ET的句柄,只要它上面还有事件,epoll_wait每次都会返回。而ET模式的句柄,除非有新中断到,即使socket上的事件没有处理完,也是不会次次从epoll_wait返回的。

扩展阅读

Linux提供了select、poll、epoll接口来实现IO复用,三者的原型如下所示,本文从参数、实现、性能等方面对三者进行对比。

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout); 
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
 int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

select、poll、epoll_wait参数及实现对比:

select的第一个参数nfds为fdset集合中最大描述符值加1,fdset是一个位数组,其大小限制为__FD_SETSIZE(1024),位数组的每一位代表其对应的描述符是否需要被检查。
select的第二三四个参数表示需要关注读、写、错误事件的文件描述符位数组,这些参数既是输入参数也是输出参数,可能会被内核修改用于标示哪些描述符上发生了关注的事件。
所以每次调用select前都需要重新初始化fdset。
timeout参数为超时时间,该结构会被内核修改,其值为超时剩余的时间。
select对应于内核中的sys_select调用,sys_select首先将第二三四个参数指向的fd_set拷贝到内核,然后对每个被SET的描述符调用进行poll,并记录在临时结果中(fdset),如果有事件发生,select会将临时结果写到用户空间并返回;当轮询一遍后没有任何事件发生时,如果指定了超时时间,则select会睡眠到超时,睡眠结束后再进行一次轮询,并将临时结果写到用户空间,然后返回。 select返回后,需要逐一检查关注的描述符是否被SET(事件是否发生)。

poll与select不同,通过一个pollfd数组向内核传递需要关注的事件,故没有描述符个数的限制,pollfd中的events字段和revents分别用于标示关注的事件和发生的事件,故pollfd数组只需要被初始化一次。
poll的实现机制与select类似,其对应内核中的sys_poll,只不过poll向内核传递pollfd数组,然后对pollfd中的每个描述符进行poll,相比处理fdset来说,poll效率更高。 poll返回后,需要对pollfd中的每个元素检查其revents值,来得指事件是否发生。

epoll通过epoll_create创建一个用于epoll轮询的描述符,通过epoll_ctl添加/修改/删除事件,通过epoll_wait检查事件,epoll_wait的第二个参数用于存放结果。 epoll与select、poll不同,首先,其不用每次调用都向内核拷贝事件描述信息,在第一次调用后,事件信息就会与对应的epoll描述符关联起来。另外epoll不是通过轮询,而是通过在等待的描述符上注册回调函数,当事件发生时,回调函数负责把发生的事件存储在就绪事件链表中,最后写到用户空间。

更多关于select的知识可参考我之前的博客《select(pselect)函数》。


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