linux I/0复用函数之 ------ epoll()

news/2024/7/9 17:40:25 标签: epoll, linux

前言

        I/O多路复用有很多种实现。在linux上，2.4内核前主要是select和poll，自Linux 2.6内核正式引入epoll以来，epoll已经成为了目前实现高性能网络服务器的必备技术。尽管他们的使用方法不尽相同，但是本质上却没有什么区别。本文将重点探讨将放在EPOLL的实现与使用详解。

为什么会有EPOLL？

select的缺陷

      高并发的核心解决方案是1个线程处理所有连接的“等待消息准备好”，这一点上epoll和select是无争议的。但select预估错误了一件事，当数十万并发连接存在时，可能每一毫秒只有数百个活跃的连接，同时其余数十万连接在这一毫秒是非活跃的。select采用轮询的方法遍历所有的FD_SET句柄

      返回的活跃连接 ==select（全部待监控的连接）。

      什么时候会调用select方法呢？在你认为需要找出有报文到达的活跃连接时，就应该调用。所以，调用select在高并发时是会被频繁调用的。这样，这个频繁调用的方法就很有必要看看它是否有效率，因为，它的轻微效率损失都会被“频繁”二字所放大。它有效率损失吗？显而易见，全部待监控连接是数以十万计的，返回的只是数百个活跃连接，这本身就是无效率的表现。被放大后就会发现，处理并发上万个连接时，select就完全力不从心了。

      此外，在Linux内核中，select所用到的FD_SET是有限的，即内核中有个参数__FD_SETSIZE定义了每个FD_SET的句柄个数。一般为1024（fd也不能大于1024，否则可能core dump）

/linux/posix_types.h:

#define __FD_SETSIZE 1024

      其次，内核中实现 select是用轮询方法，即每次检测都会遍历所有FD_SET中的句柄，显然，select函数执行时间与FD_SET中的句柄个数有一个比例关系，即 select要检测的句柄数越多就会越费时。看到这里，您可能要要问了，你为什么不提poll？笔者认为select与poll在内部机制方面并没有太大的差异。相比于select机制，poll只是取消了最大监控文件描述符数限制，并没有从根本上解决select存在的问题。

      接下来我们看张图，当并发连接为较小时，select与epoll似乎并无多少差距。可是当并发连接上来以后，select就显得力不从心了。

        图 1.主流I/O复用机制的benchmark

 

epoll接口

 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。创建好epoll句柄后它是会占用一个fd值，所以记住使用完要调用close()关闭，否则可能fd耗尽。

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（epoll使用epoll_wait监听）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。

epfd:epoll_create返回的句柄

op：操作动作

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：需要监听的fd

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

用来等待所监听文件描述符上有事件发生

epfd：epoll_create返回的句柄
timeout：是超时事件，-1为阻塞，0为立即返回，非阻塞，大于0是指定的微妙
events：是一个 传入传出参数，它是epoll_event结构的指针，用来从内核得到事件的集合
maxevents：告知内核events的大小，但不能大于epoll_create()时创建的size

LT和ET模式

  • LT（Level Triggered，电平触发）：LT模式是epoll默认的工作模式，也是select和poll的工作模式，在LT模式下，epoll相当于一个效率较高的poll。 

      采用LT模式的文件描述符，当epoll_wait检测到其上有事件发生并将此事件通知应用程序后，应用程序可以不立即处理此事件，当下一次调用epoll_wait是，epoll_wait还会将此事件通告应用程序。

  • ET（Edge Triggered，边沿触发）:当调用epoll_ctl，向参数event注册EPOLLET事件时，epoll将以ET模式来操作该文件描述符，ET模式是epoll的高效工作模式. 

       对于采用ET模式的文件描述符，当epoll_wait检测到其上有事件发生并将此通知应用程序后，应用程序必须立即处理该事件，因为后续的epoll_wait调用将不在向应用程序通知这一事件。ET模式降低了同意epoll事件被触发的次数，效率比LT模式高。

select、poll和epoll三种I/O复用模式的比较

系统调用

select

poll

epoll

事件集合

通过3个参数分别传入感兴趣的可读，可写及异常等事件

内核通过对这些参数的在线修改来反馈其中的就绪事件

这使得用户每次调用select都要重置这3个参数

统一处理所有事件类型，因此只需要一个事件集参数。

用户通过pollfd.events传入感兴趣的事件，内核通过

修改pollfd.revents反馈其中就绪的事件

内核通过一个事件表直接管理用户感兴趣的所有事件。

因此每次调用epoll_wait时，无需反复传入用户感兴趣

的事件。epoll_wait系统调用的参数events仅用来反馈就绪的事件

应用程序索引就绪文件

描述符的时间复杂度

O(n)

O(n)

O(1)

最大支持文件描述符数

一般有最大值限制

65535

65535

工作模式

LT

LT

支持ET高效模式

内核实现和工作效率采用轮询方式检测就绪事件，时间复杂度：O(n)

采用轮询方式检测就绪事件，时间复杂度：O(n)

采用回调方式检测就绪事件，时间复杂度：O(1)

       

epoll框架

    for( ; ; )
    {
        nfds = epoll_wait(epfd,events,20,500);
        for(i=0;i<nfds;++i)
        {
            if(events[i].data.fd==listenfd) //有新的连接
            {
                connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen); //accept这个连接
                ev.data.fd=connfd;
                ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev); //将新的fd添加到epoll的监听队列中
            }
            else if( events[i].events&EPOLLIN ) //接收到数据，读socket
            {
                n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0    //读
                ev.data.ptr = md;     //md为自定义类型，添加数据
                ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET;
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);//修改标识符，等待下一个循环时发送数据，异步处理的精髓
            }
            else if(events[i].events&EPOLLOUT) //有数据待发送，写socket
            {
                struct myepoll_data* md = (myepoll_data*)events[i].data.ptr;    //取数据
                sockfd = md->fd;
                send( sockfd, md->ptr, strlen((char*)md->ptr), 0 );        //发送数据
                ev.data.fd=sockfd;
                ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev); //修改标识符，等待下一个循环时接收数据
            }
            else
            {
                //其他的处理
            }
        }
    }

完整的epoll服务端示例：

#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 <errno.h>

using namespace std;

#define MAXLINE 5
#define OPEN_MAX 100
#define LISTENQ 20
#define SERV_PORT 5000
#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 argc, char* argv[])
{
    int i, maxi, listenfd, connfd, sockfd,epfd,nfds, portnumber;
    ssize_t n;
    char line[MAXLINE];
    socklen_t clilen;


    if ( 2 == argc )
    {
        if( (portnumber = atoi(argv[1])) < 0 )
        {
            fprintf(stderr,"Usage:%s portnumber/a/n",argv[0]);
            return 1;
        }
    }
    else
    {
        fprintf(stderr,"Usage:%s portnumber/a/n",argv[0]);
        return 1;
    }



    //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;
    //ev.events=EPOLLIN;

    //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(portnumber);

    serveraddr.sin_port=htons(portnumber);
    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)//如果新监测到一个SOCKET用户连接到了绑定的SOCKET端口，建立新的连接。

            {
                connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen);
                if(connfd<0){
                    perror("connfd<0");
                    exit(1);
                }
                //setnonblocking(connfd);

                char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr);
                cout << "accapt a connection from " << str << 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;
                //ev.events=EPOLLIN;

                //注册ev

                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev);
            }
            else if(events[i].events&EPOLLIN)//如果是已经连接的用户，并且收到数据，那么进行读入。

            {
                cout << "EPOLLIN" << endl;
                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;
                }
                line[n] = '/0';
                cout << "read " << line << endl;
                //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) // 如果有数据发送

            {
                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;
}


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