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epoll使用详解

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王亚昌
发布2018-08-03 15:42:24
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发布2018-08-03 15:42:24
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文章被收录于专栏:王亚昌的专栏王亚昌的专栏

【epoll简介】

 Linux平台上传统的I/O复用模型有select和poll模型,但二者在解决大量并发请示时却表现不佳。与select/poll相比,epoll的优点体现在以下三个方面:

1) 支持进程打开大数目的文件描述符(FD) select最大的缺点是一个进程所打开的文件描述符是有一定限制的,默认值是2048,这对于那些需要支持成千上万连接数目的服务器来说显然是太少了。epoll则没有这个限制,它所支持的文件描述符上限是最大可以打开的文件数目,具体数目和系统内存大小有关。如在1GB内存的服务器上可打开的FD大约是10万左右。

2) I/O效率不随文件描述符数量增加而线性下降 传统的select/poll保存一个很大的文件描述符集合,但是任一时间只有部分的FD是“活跃”的,但是select/poll每次调用都会线性扫描全部的集合,导致效率随着FD数目增加而线性下降,但是epoll不存在这个问题,它只会对“活跃”的FD进行操作,这是因为内核实现中epoll是根据每个FD上面的callback函数实现的。只有“活跃”的FD才会主动去调用callback函数,在这点上,epoll实现了一个“伪”AIO,效率远在select/poll之上。

3) 加速内核与用户空间的消息传递 无论是select还是poll都需要内核把FD上发生的消息通知给用户空间,在这一点上poll根据文件描述符组织信息带来了较高的效率,而epoll也继承丁poll的这个优点,并做了更高效的改进:poll中的文件描述符集合保存在程序的地址空间,而epoll为了减少用户空间和内核空间之问的拷贝,使用mmap机制把这些文件描述符集合移动到内核中。应用程序通过系统调用给内核提供了一个需要监控的文件描述符列表,然后使用另外一个不同的系统调用来监控这些文件描述符。当内核发现监控的事件发生时,就发出一个通知,而应用程序此时只需要在内核中对前面建立的列表中查询对应的文件描述符即可。基于这些调整,epoll具有良好的扩展性,当用于监控大量描述符时,可以带来很大的性能提升。

【epoll 使用方法】

 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: 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 :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。

【ET和LT的区别】

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) Level Triggered (LT)

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;  
}  

【代码示例】

下面的代码用epoll实现了一个单进程的同步反射服务器。

#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 <errno.h>  
#include <stdio.h>  
  
#define MAXLINE 10  
#define OPEN_MAX 100  
#define LISTENQ 20  
#define SERV_PORT 1234  
#define INFTIM 1000  
  
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,epfd,nfds;      
    ssize_t n;    
    char line[MAXLINE];   
    socklen_t clilen;  
      
    //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];  
      
    //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="127.0.0.1";     
    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<<"connect 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);  
            }  
              
            // 套接口可读  
            else if(events[i].events&EPOLLIN)         
            {                 
                if ( (sockfd = events[i].data.fd) < 0) continue;               
                if ( (n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0)  
                {                     
                    if (errno == ECONNRESET)  
                    {         
                        close(sockfd);                        
                        events[i].data.fd = -1;                       
                    } else                        
                        std::cout<<"readline error"<<std::endl;                   
                } else if (n == 0)  
                {                     
                    close(sockfd);                    
                    events[i].data.fd = -1;                   
                }  
                  
                //设置用于写操作的文件描述符               
                ev.data.fd=sockfd;  
                  
                //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,sockfd,&ev);                 
            }             
            else if(events[i].events&EPOLLOUT)                
            {      
                sockfd = events[i].data.fd;               
                write(sockfd, line, n);  
                  
                //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);                 
            }  
          }  
     }  
       
     return 0;  
}  

编译执行:

root:/home/ftpuser/epoll#g++ -o epoll epoll.cc

服务器端: root:/home/ftpuser/epoll#./epoll connect from 127.0.0.1

客户端:

root:/home/ftpuser/epoll#telnet 127.0.0.1 1234 Trying 127.0.0.1... Connected to localhost.localdomain (127.0.0.1). Escape character is '^]'. hello hello hi epoll hi epoll

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原始发表:2010年03月21日,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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