Linux网络编程–epoll 模型原理详解以及实例
###1.简介
Linux I/O多路复用技术在比较多的TCP网络服务器中有使用，即比较多的用到select函数。Linux 2.6内核中有提高网络I/O性能的新方法，即epoll 。epoll是什么？按照man手册的说法是为处理大批量句柄而作了改进的poll。要使用epoll只需要以下的三个系统函数调用： epoll_create，epoll_ctl，epoll_wait。
###2.select模型的缺陷
####(1) 在Linux内核中，select所用到的FD_SET是有限的
内核中有个参数FD_SETSIZE定义了每个FD_SET的句柄个数：`#define FD_SETSIZE 1024`。也就是说，如果想要同时检测1025个句柄的可读状态是不可能用select实现的；或者同时检测1025个句柄的可写状态也是不可能的。
####(2) 内核中实现select是使用轮询方法
每次检测都会遍历所有FD_SET中的句柄，显然select函数的执行时间与FD_SET中句柄的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
###3.Windows IOCP模型的缺陷
windows完成端口实现的AIO，实际上也只是使用内部用线程池实现的，最后的结果是IO有个线程池，你的应用程序也需要一个线程池。很多文档其实已经指出了这引发的线程context-switch所带来的代价。
###4.EPOLL模型的优点
(1) 支持一个进程打开大数目的socket描述符(FD)
epoll没有select模型中的限制，它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于select 所支持的2048。下面是我的小PC机上的显示：1
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那么对于服务器而言,这个数目会更大。
(2) IO效率不随FD数目增加而线性下降
传统select/poll的另一个致命弱点就是当你拥有一个很大的socket集合，由于网络得延时，使得任一时间只有部分的socket是”活跃”的，而select/poll每次调用都会线性扫描全部的集合，导致效率呈现线性下降。但是epoll不存在这个问题，它只会对”活跃”的socket进行操作：这是因为在内核实现中epoll是根据每个fd上面的callback函数实现的。于是，只有”活跃”的socket才会主动去调用callback函数，其他idle状态的socket则不会。在这点上，epoll实现了一个”伪”AIO”，因为这时候推动力在os内核。在一些 benchmark中，如果所有的socket基本上都是活跃的，比如一个高速LAN环境，epoll也不比select/poll低多少效率，但若过多使用的调用epoll_ctl，效率稍微有些下降。然而一旦使用idle connections模拟WAN环境，那么epoll的效率就远在select/poll之上了。
(3) 使用mmap加速内核与用户空间的消息传递
无论是select,poll还是epoll都需要内核把FD消息通知给用户空间，如何避免不必要的内存拷贝就显得很重要。在这点上，epoll是通过内核于用户空间mmap同一块内存实现。
###5.EPOLL模型的工作模式
####(1) LT模式
`LT：level triggered`，这是缺省的工作方式，同时支持`block`和`no-block socket`，在这种模式中，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。
####(2) ET模式
`ET：edge-triggered`，这是高速工作方式，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，内核就通过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而导致那个文件描述符不再是就绪状态(比如你在发送，接收或是接受请求，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)，内核就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。
###6.EPOLL模型的使用方法
epoll用到的所有函数都是在头文件`sys/epoll.h`中声明的，下面简要说明所用到的数据结构和函数：
epoll_data、epoll_data_t、epoll_event
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 /
};1
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结构体epoll_event 被用于注册所感兴趣的事件和回传所发生待处理的事件。epoll_event 结构体的events字段是表示感兴趣的事件和被触发的事件，可能的取值为：
`EPOLLIN`： 表示对应的文件描述符可以读；
`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；
`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`： 表示对应的文件描述符有事件发生；
联合体epoll_data用来保存触发事件的某个文件描述符相关的数据。例如一个client连接到服务器，服务器通过调用accept函数可以得到于这个client对应的socket文件描述符，可以把这文件描述符赋给epoll_data的fd字段，以便后面的读写操作在这个文件描述符上进行。
(2)`epoll_create `
函数声明：`intepoll_create(intsize) `
函数说明：该函数生成一个epoll专用的文件描述符，其中的参数是指定生成描述符的最大范围。
(3) `epoll_ctl`函数
函数声明：`intepoll_ctl(int epfd,int op, int fd, struct epoll_event *event) `
函数说明：该函数用于控制某个文件描述符上的事件，可以注册事件、修改事件、删除事件。
`epfd`：由 epoll_create 生成的epoll专用的文件描述符；
`op`：要进行的操作，可能的取值EPOLL_CTL_ADD 注册、EPOLL_CTL_MOD 修改、EPOLL_CTL_DEL 删除；
`fd`：关联的文件描述符；
`event`：指向epoll_event的指针；
如果调用成功则返回0，不成功则返回-1。
(4) `epoll_wait`函数
函数声明：`int epoll_wait(int epfd, structepoll_event * events, int maxevents, int timeout) `
函数说明：该函数用于轮询I/O事件的发生。
`epfd`：由epoll_create 生成的epoll专用的文件描述符；
`epoll_event`：用于回传代处理事件的数组；
`maxevents`：每次能处理的事件数；
`timeout`：等待I/O事件发生的超时值；
返回发生事件数。
###7 设计思路及模板
首先通过`create_epoll(int maxfds)`来创建一个epoll的句柄，其中maxfds为你的epoll所支持的最大句柄数。这个函数会返回一个新的epoll句柄，之后的所有操作都将通过这个句柄来进行操作。在用完之后，记得用close()来关闭这个创建出来的epoll句柄。
然后在你的网络主循环里面，调用`epoll_wait(int epfd, epoll_event events, int max_events,int timeout)`来查询所有的网络接口，看哪一个可以读，哪一个可以写。基本的语法为：
`nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1); `
其中`kdpfd`为用`epoll_create`创建之后的句柄，events是一个`epoll_event*`的指针，当`epoll_wait`函数操作成功之后，events里面将储存所有的读写事件。max_events是当前需要监听的所有socket句柄数。最后一个timeout参数指示 epoll_wait的超时条件，为0时表示马上返回；为-1时表示函数会一直等下去直到有事件返回；为任意正整数时表示等这么长的时间，如果一直没有事件，则会返回。一般情况下如果网络主循环是单线程的话，可以用-1来等待，这样可以保证一些效率，如果是和主循环在同一个线程的话，则可以用0来保证主循环的效率。epoll_wait返回之后，应该进入一个循环，以便遍历所有的事件。
对epoll 的操作就这么简单，总共不过4个`API：epoll_create, epoll_ctl,epoll_wait和close`。以下是man中的一个例子。
struct epoll_event ev, events;
for(;;)
{
nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1); //等待IO事件
for(n = 0; n < nfds; ++n)
{
//如果是主socket的事件，则表示有新连接进入，需要进行新连接的处理。
if(events[n].data.fd == listener)
{
client = accept(listener, (struct sockaddr ) &local, &addrlen);
if(client < 0)
{
perror(“accept error”);
continue;
}
// 将新连接置于非阻塞模式
setnonblocking(client);
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
//注意这里的参数EPOLLIN | EPOLLET并没有设置对写socket的监听，
//如果有写操作的话，这个时候epoll是不会返回事件的，
//如果要对写操作也监听的话，应该是EPOLLIN | EPOLLOUT | EPOLLET。
// 并且将新连接也加入EPOLL的监听队列
ev.data.fd = client;
// 设置好event之后，将这个新的event通过epoll_ctl
if (epoll_ctl(kdpfd, EPOLL_CTL_ADD, client, &ev) < 0)
{
//加入到epoll的监听队列里，这里用EPOLL_CTL_ADD
//来加一个新的 epoll事件。可以通过EPOLL_CTL_DEL来减少
//一个epoll事件，通过EPOLL_CTL_MOD来改变一个事件的监听方式。
fprintf(stderr, “epoll set insertion error: fd=%d”0, client);
return -1;
}
}
else
// 如果不是主socket的事件的话，则代表这是一个用户的socket的事件，
// 则用来处理这个用户的socket的事情是，比如说read(fd,xxx)之类，或者一些其他的处理。
do_use_fd(events[n].data.fd);
}1
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###8 EPOLL模型的简单实例
#include
#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>
#define MAXLINE 10
#define OPEN_MAX 100
#define LISTENQ 20
#define SERV_PORT 5555
#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, events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, 指定生成描述符的最大范围为256
epfd = epoll_create(256);
struct sockaddr_in clientaddr;
struct sockaddr_in serveraddr;
listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
setnonblocking(listenfd); //把用于监听的socket设置为非阻塞方式
ev.data.fd = listenfd; //设置与要处理的事件相关的文件描述符
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; //设置要处理的事件类型
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev); //注册epoll事件
bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr));
serveraddr.sin_family = AF_INET;
char local_addr = “200.200.200.204”;
inet_aton(local_addr, &(serveraddr.sin_addr));
serveraddr.sin_port = htons(SERV_PORT); //或者htons(SERV_PORT);
bind(listenfd,(sockaddr )&serveraddr, sizeof(serveraddr));
listen(listenfd, LISTENQ);
maxi = 0;
for( ; ; )
{
nfds = epoll_wait(epfd, events, 20, 500); //等待epoll事件的发生
for(i = 0; i < nfds; ++i) //处理所发生的所有事件
{
if(events[i].data.fd == listenfd) //监听事件
{
connfd = accept(listenfd, (sockaddr )&clientaddr, &clilen);
if(connfd < 0)
{
perror(“connfd<0”);
exit(1);
}
setnonblocking(connfd); //把客户端的socket设置为非阻塞方式
char str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr);
std::cout << “connect from “ << str <<std::endl;
ev.data.fd=connfd; //设置用于读操作的文件描述符
ev.events=EPOLLIN | EPOLLET; //设置用于注测的读操作事件
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &ev);
//注册ev事件
}
else if(events[i].events&EPOLLIN) //读事件
{
if ( (sockfd = events[i].data.fd) < 0)
{
continue;
}
if ( (n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0) // 这里和IOCP不同
{
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;
}
ev.data.fd=sockfd; //设置用于写操作的文件描述符
ev.events=EPOLLOUT | EPOLLET; //设置用于注测的写操作事件
//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)//写事件
{
sockfd = events[i].data.fd;
write(sockfd, line, n);
ev.data.fd = sockfd; //设置用于读操作的文件描述符
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; //设置用于注册的读操作事件
//修改sockfd上要处理的事件为EPOLIN
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, sockfd, &ev);
}
}
}
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###9.epoll进阶思考
最近学习`EPOLL`模型，介绍中说将`EPOLL`与`Windows IOCP`模型进行比较，说其的优势在于解决了`IOCP`模型大量线程上下文切换的开销，于是可以看出，`EPOLL`模型不需要多线程，即单线程中可以处理`EPOLL`逻辑。如果引入多线程反而会引起一些问题。但是`EPOLL`模型的服务器端到底可以不可以用多线程技术，如果可以，改怎么取舍，这成了困扰我的问题。上网查了一下，有这样几种声音：
(1) “要么事件驱动(如epoll)，要么多线程，要么多进程，把这几个综合起来使用，感觉更加麻烦。”；
(2) “单线程使用epoll，但是不能发挥多核；多线程不用epoll。”；
#####(3) “主通信线程使用epoll所有需要监控的FD，有事件交给多线程去处理”；
#####(4) “既然用了epoll, 那么线程就不应该看到fd, 而只看到的是一个一个的业务请求/响应； epoll将网络数据组装成业务数据后, 转交给业务线程进行处理。这就是常说的半同步半异步”。
我比较赞同上述(3)、(4)中的观点
`EPOLLOUT`只有在缓冲区已经满了，不可以发送了，过了一会儿缓冲区中有空间了，就会触发`EPOLLOUT`，而且只触发一次。如果你编写的程序的网络IO不大，一次写入的数据不多的时候，通常都是`epoll_wait`立刻就会触发` EPOLLOUT`；如果你不调用` epoll`，直接写 `socket`，那么情况就取决于这个`socket`的缓冲区是不是足够了。如果缓冲区足够，那么写就成功。如果缓冲区不足，那么取决你的socket是不是阻塞的，要么阻塞到写完成，要么出错返回。所以EPOLLOUT事件具有较大的随机性，ET模式一般只用于`EPOLLIN`, 很少用于`EPOLLOUT`。
9.2. 具体做法
(1) 主通信线程使用epoll所有需要监控的FD，负责监控`listenfd`和`connfd`，这里只监听`EPOLLIN`事件，不监听`EPOLLOUT`事件；
(2) 一旦从Client收到了数据以后，将其构造成一个消息，放入消息队列中；
(3) 若干工作线程竞争，从消息队列中取出消息并进行处理，然后把处理结果发送给客户端。发送客户端的操作由工作线程完成。直接进行`write`。`write`到`EAGAIN`或`EWOULDBLOCK`后，线程循环`continue`等待缓冲区队列
发送函数代码如下：
bool send_data(int connfd, char *pbuffer, unsigned int &len,int flag)
{
if ((connfd < 0) || (0 == pbuffer))
{
return false;
}
int result = 0;
int remain_size = (int) len;
int send_size = 0;
const char *p = pbuffer;
time_t start_time = time(NULL);
int time_out = 3;
do
{
if (time(NULL) > start + time_out)
{
return false;
}
send_size = send(connfd, p, remain_size, flag);
if (nSentSize < 0)
{
if ((errno == EAGAIN) || (errno == EWOULDBLOCK) || (errno == EINTR))
{
continue;
}
else
{
len -= remain_size;
return false;
}
}
p += send_size;
remain_size -= send_size;
}while(remain_size > 0);
return true;
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10###10 epoll 实现服务器和客户端例子
最后我们用C++实现一个简单的客户端回射，所用到的代码文件是
`net.h` ` server.cpp ` `client.cpp`服务器端：epoll实现的，干两件事分别为：1.等待客户端的链接，2.接收来自客户端的数据并且回射；
客户端：select实现，干两件事为:1.等待键盘输入，2.发送数据到服务器端并且接收服务器端回射的数据；
**/***********
net.h
***********/**
#include <stdio.h>
#ifndef _NET_H
#define _NET_H
#include
#include
#include
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/epoll.h> //epoll ways file
#include <sys/socket.h>
#include <fcntl.h> //block and noblock
#include <stdlib.h>
#include <error.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
using namespace std;
#define hand_error(msg) do{perror(msg); exit(EXIT_FAILURE);}while(0)
#endif
1 |
|
#include “net.h”
#define MAX_EVENTS 10000
int setblock(int sock)
{
int ret = fcntl(sock, F_SETFL, 0);
if (ret < 0 )
hand_error(“setblock”);
return 0;
}
int setnoblock(int sock) //设置非阻塞模式
{
int ret = fcntl(sock, F_SETFL, O_NONBLOCK );
if(ret < 0)
hand_error(“setnoblock”);
return 0;
}
int main()
{
signal(SIGPIPE,SIG_IGN);
int listenfd;
listenfd = socket( AF_INET, SOCK_STREAM,0 ); //create a socket stream
if( listenfd < 0 )
hand_error( “socket_create”);
setnoblock(listenfd);
int on = 1;
if( setsockopt( listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on))< 0)
hand_error(“setsockopt”);
struct sockaddr_in my_addr;
memset(&my_addr, 0, sizeof(my_addr));
my_addr.sin_family = AF_INET;
my_addr.sin_port = htons(18000); //here is host sequeue
my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
if( bind( listenfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(my_addr)) < 0)
hand_error("bind");
int lisId = listen(listenfd, SOMAXCONN);
if( lisId < 0) //LISTEN
hand_error("listen");
struct sockaddr_in peer_addr; //用来 save client addr
socklen_t peerlen;
//下面是一些初始化，都是关于epoll的。
vector<int> clients;
int count = 0;
int cli_sock = 0;
int epfd = 0; //epoll 的文件描述符
int ret_events; //epoll_wait()的返回值
struct epoll_event ev_remov, ev, events[MAX_EVENTS]; //events 用来存放从内核读取的的事件
ev.events = EPOLLET | EPOLLIN; //边缘方式触发
ev.data.fd = listenfd;
epfd = epoll_create(MAX_EVENTS); //create epoll，返回值为epoll的文件描述符
//epfd = epoll_create(EPOLL_CLOEXEC); //新版写法
if(epfd < 0)
hand_error("epoll_create");
int ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev); //添加时间
if(ret < 0)
hand_error("epoll_ctl");
while(1)
{
ret_events = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1); //类似于select函数，这里是等待事件的到来。
if(ret_events == -1)
{
cout<<"ret_events = "<<ret_events<<endl;
hand_error("epoll_wait");
}
if( ret_events == 0)
{
cout<<"ret_events = "<<ret_events<<endl;
continue;
}
// cout<<”ret_events = “<<ret_events<<endl;
for( int num = 0; num < ret_events; num ++)
{
cout<<”num = “<<num<<endl;
cout<<”events[num].data.fd = “<<events[num].data.fd<<endl;
if(events[num].data.fd == listenfd) //client connect
{
cout<<”listen sucess and listenfd = “<<listenfd<<endl;
cli_sock = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&peer_addr, &peerlen);
if(cli_sock < 0)
hand_error(“accept”);
cout<<”count = “<<count++;
printf(“ip=%s,port = %d\n”, inet_ntoa(peer_addr.sin_addr),peer_addr.sin_port);
clients.push_back(cli_sock);
setnoblock(cli_sock); //设置为非阻塞模式
ev.data.fd = cli_sock;// 将新连接也加入EPOLL的监听队列
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET ;
if(epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cli_sock, &ev)< 0)
hand_error(“epoll_ctl”);
}
else if( events[num].events & EPOLLIN)
{
cli_sock = events[num].data.fd;
if(cli_sock < 0)
hand_error("cli_sock");
char recvbuf[1024];
memset(recvbuf, 0 , sizeof(recvbuf));
int num = read( cli_sock, recvbuf, sizeof(recvbuf));
if(num == -1)
hand_error("read have some problem:");
if( num == 0 ) //stand of client have exit
{
cout<<"client have exit"<<endl;
close(cli_sock);
ev_remov = events[num];
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, cli_sock, &ev_remov);
clients.erase(remove(clients.begin(), clients.end(), cli_sock),clients.end());
}
fputs(recvbuf,stdout);
write(cli_sock, recvbuf, strlen(recvbuf));
}
}
}
return 0;
}1
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**/***********
client.c
***********/**
#include “net.h”
int main()
{
signal(SIGPIPE,SIG_IGN);
int sock;
sock = socket( AF_INET, SOCK_STREAM,0 ); //create a socket stream
if( sock< 0 )
hand_error( “socket_create”);
struct sockaddr_in my_addr;
//memset my_addr;
memset(&my_addr, 0, sizeof(my_addr));
my_addr.sin_family = AF_INET;
my_addr.sin_port = htons(18000); //here is host sequeue
// my_addr.sin_addr.s_addr = htonl( INADDR_ANY );
my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(“127.0.0.1”);
int conn = connect(sock, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(my_addr)) ;
if(conn != 0)
hand_error("connect");
char recvbuf[1024] = {0};
char sendbuf[1024] = {0};
fd_set rset;
FD_ZERO(&rset);
int nready = 0;
int maxfd;
int stdinof = fileno(stdin);
if( stdinof > sock)
maxfd = stdinof;
else
maxfd = sock;
while(1)
{
//select返回后把原来待检测的但是仍没就绪的描述字清0了。所以每次调用select前都要重新设置一下待检测的描述字
FD_SET(sock, &rset);
FD_SET(stdinof, &rset);
nready = select(maxfd+1, &rset, NULL, NULL, NULL);
cout<<"nready = "<<nready<<" "<<"maxfd = "<<maxfd<<endl;
if(nready == -1 )
break;
else if( nready == 0)
continue;
else
{
if( FD_ISSET(sock, &rset) ) //检测sock是否已经在集合rset里面。
{
int ret = read( sock, recvbuf, sizeof(recvbuf)); //读数据
if( ret == -1)
hand_error("read");
else if( ret == 0)
{
cout<<"sever have close"<<endl;
close(sock);
break;
}
else
{
fputs(recvbuf,stdout); //输出数据
memset(recvbuf, 0, strlen(recvbuf));
}
}
if( FD_ISSET(stdinof, &rset)) //检测stdin的文件描述符是否在集合里面
{
if(fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) != NULL)
{
int num = write(sock, sendbuf, strlen(sendbuf)); //写数据
cout<<"sent num = "<<num<<endl;
memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));
}
}
}
}
return 0;
}`