epoll模型及其框架(內附epoll 執行緒池專案程式碼)
在linux的網路程式設計中,很長的時間都在使用select來做事件觸發。在linux新的核心中,有了一種替換它的機制,就是epoll。
相比於select,epoll最大的好處在於它不會隨著監聽fd數目的增長而降低效率。因為在核心中的select實現中,它是採用輪詢來處理的,輪詢的fd數目越多,自然耗時越多。並且,在linux/posix_types.h標頭檔案有這樣的宣告:
#define __FD_SETSIZE 1024
表示select最多同時監聽1024個fd,當然,可以通過修改標頭檔案再重編譯核心來擴大這個數目,但這似乎並不治本。
epoll的介面非常簡單,一共就三個函式:
1. int epoll_create(int size);
建立一個epoll的控制代碼,size用來告訴核心這個監聽的數目一共有多大。這個引數不同於select()中的第一個引數,給出最大監聽的fd+1的值。需要注意的是,當建立好epoll控制代碼後,它就是會佔用一個fd值,在linux下如果檢視/proc/程序id/fd/,是能夠看到這個fd的,所以在使用完epoll後,必須呼叫close()關閉,否則可能導致fd被耗盡。
2. int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
epoll的事件註冊函式,它不同與select()是在監聽事件時告訴核心要監聽什麼型別的事件,而是在這裡先註冊要監聽的事件型別。
第一個引數是epoll_create()的返回值,
第二個引數表示動作,用三個巨集來表示:
EPOLL_CTL_ADD:註冊新的fd到epfd中;
EPOLL_CTL_MOD:修改已經註冊的fd的監聽事件;
EPOLL_CTL_DEL:從epfd中刪除一個fd;
第三個引數是需要監聽的fd,
第四個引數是告訴核心需要監聽什麼事,struct epoll_event結構如下:
struct epoll_event {
__uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};
events可以是以下幾個巨集的集合:
EPOLLIN : 表示對應的檔案描述符可以讀(包括對端SOCKET正常關閉);
EPOLLOUT: 表示對應的檔案描述符可以寫;
EPOLLPRI: 表示對應的檔案描述符有緊急的資料可讀(這裡應該表示有帶外資料到來);
EPOLLERR: 表示對應的檔案描述符發生錯誤;
EPOLLHUP: 表示對應的檔案描述符被結束通話;
EPOLLET: 將EPOLL設為邊緣觸發(Edge Triggered)模式,這是相對於水平觸發(Level Triggered)來說的。
EPOLLONESHOT: 只監聽一次事件,當監聽完這次事件之後,如果還需要繼續監聽這個socket的話,需要再次把這個socket加入到EPOLL佇列裡
3. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
等待事件的產生,類似於select()呼叫。引數events用來從核心得到事件的集合,maxevents告之核心這個events有多大,這個maxevents的值不能大於建立epoll_create()時的size,引數timeout是超時時間(毫秒,0會立即返回,-1將不確定,也有說法說是永久阻塞)。該函式返回需要處理的事件數目,如返回0表示已超時。
從man手冊中,得到ET和LT的具體描述如下
EPOLL事件有兩種模型:
Edge Triggered (ET) 邊緣觸發只有資料到來,才觸發,不管快取區中是否還有資料。
Level Triggered (LT) 水平觸發只要有資料都會觸發。
假如有這樣一個例子:
1. 我們已經把一個用來從管道中讀取資料的檔案控制代碼(RFD)新增到epoll描述符
2. 這個時候從管道的另一端被寫入了2KB的資料
3. 呼叫epoll_wait(2),並且它會返回RFD,說明它已經準備好讀取操作
4. 然後我們讀取了1KB的資料
5. 呼叫epoll_wait(2)......
Edge Triggered 工作模式:
如果我們在第1步將RFD新增到epoll描述符的時候使用了EPOLLET標誌,那麼在第5步呼叫epoll_wait(2)之後將有可能會掛起,因為剩餘的資料還存在於檔案的輸入緩衝區內,而且資料發出端還在等待一個針對已經發出資料的反饋資訊。只有在監視的檔案控制代碼上發生了某個事件的時候 ET 工作模式才會彙報事件。因此在第5步的時候,呼叫者可能會放棄等待仍在存在於檔案輸入緩衝區內的剩餘資料。在上面的例子中,會有一個事件產生在RFD控制代碼上,因為在第2步執行了一個寫操作,然後,事件將會在第3步被銷燬。因為第4步的讀取操作沒有讀空檔案輸入緩衝區內的資料,因此我們在第5步呼叫 epoll_wait(2)完成後,是否掛起是不確定的。epoll工作在ET模式的時候,必須使用非阻塞套介面,以避免由於一個檔案控制代碼的阻塞讀/阻塞寫操作把處理多個檔案描述符的任務餓死。最好以下面的方式呼叫ET模式的epoll介面,在後面會介紹避免可能的缺陷。
i 基於非阻塞檔案控制代碼
ii 只有當read(2)或者write(2)返回EAGAIN時才需要掛起,等待。但這並不是說每次read()時都需要迴圈讀,直到讀到產生一個EAGAIN才認為此次事件處理完成,當read()返回的讀到的資料長度小於請求的資料長度時,就可以確定此時緩衝中已沒有資料了,也就可以認為此事讀事件已處理完成。
Level Triggered 工作模式
相反的,以LT方式呼叫epoll介面的時候,它就相當於一個速度比較快的poll(2),並且無論後面的資料是否被使用,因此他們具有同樣的職能。因為即使使用ET模式的epoll,在收到多個chunk的資料的時候仍然會產生多個事件。呼叫者可以設定EPOLLONESHOT標誌,在 epoll_wait(2)收到事件後epoll會與事件關聯的檔案控制代碼從epoll描述符中禁止掉。因此當EPOLLONESHOT設定後,使用帶有 EPOLL_CTL_MOD標誌的epoll_ctl(2)處理檔案控制代碼就成為呼叫者必須作的事情。
然後詳細解釋ET, LT:
LT(level triggered)是預設的工作方式,並且同時支援block和no-block socket.在這種做法中,核心告訴你一個檔案描述符是否就緒了,然後你可以對這個就緒的fd進行IO操作。如果你不作任何操作,核心還是會繼續通知你的,所以,這種模式程式設計出錯誤可能性要小一點。傳統的select/poll都是這種模型的代表.
ET(edge-triggered)是高速工作方式,只支援no-block socket。在這種模式下,當描述符從未就緒變為就緒時,核心通過epoll告訴你。然後它會假設你知道檔案描述符已經就緒,並且不會再為那個檔案描述符傳送更多的就緒通知,直到你做了某些操作導致那個檔案描述符不再為就緒狀態了(比如,你在傳送,接收或者接收請求,或者傳送接收的資料少於一定量時導致了一個EWOULDBLOCK 錯誤)。但是請注意,如果一直不對這個fd作IO操作(從而導致它再次變成未就緒),核心不會發送更多的通知(only once),不過在TCP協議中,ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark確認(這句話不理解)。
在許多測試中我們會看到如果沒有大量的idle -connection或者dead-connection,epoll的效率並不會比select/poll高很多,但是當我們遇到大量的idle- connection(例如WAN環境中存在大量的慢速連線),就會發現epoll的效率大大高於select/poll。(未測試)
另外,當使用epoll的ET模型來工作時,當產生了一個EPOLLIN事件後,
讀資料的時候需要考慮的是當recv()返回的大小如果等於請求的大小,那麼很有可能是緩衝區還有資料未讀完,也意味著該次事件還沒有處理完,所以還需要再次讀取:
while(rs)
{
buflen = recv(activeevents[i].data.fd, buf, sizeof(buf), 0);
if(buflen < 0)
{
// 由於是非阻塞的模式,所以當errno為EAGAIN時,表示當前緩衝區已無資料可讀
// 在這裡就當作是該次事件已處理處.
if(errno == EAGAIN)
break;
else
return;
}
else if(buflen == 0)
{
// 這裡表示對端的socket已正常關閉.
}
if(buflen == sizeof(buf)
rs = 1; // 需要再次讀取
else
rs = 0;
}
還有,假如傳送端流量大於接收端的流量(意思是epoll所在的程式讀比轉發的socket要快),由於是非阻塞的socket,那麼send()函式雖然返回,但實際緩衝區的資料並未真正發給接收端,這樣不斷的讀和發,當緩衝區滿後會產生EAGAIN錯誤(參考man send),同時,不理會這次請求傳送的資料.所以,需要封裝socket_send()的函式用來處理這種情況,該函式會盡量將資料寫完再返回,返回-1表示出錯。在socket_send()內部,當寫緩衝已滿(send()返回-1,且errno為EAGAIN),那麼會等待後再重試.這種方式並不很完美,在理論上可能會長時間的阻塞在socket_send()內部,但暫沒有更好的辦法.
大部分伺服器端epoll程式框架:
for( ; ; )
{
nfds = epoll_wait(epfd,events,20,500);
for(i=0;i<nfds;++i)
{
if(events[i].data.fd==listenfd) //如果是主socket的事件,則表示有新的連線
{
connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen); //accept這個連線
ev.data.fd=connfd;
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev); //將新的fd新增到epoll的監聽佇列中
}
else if( events[i].events&EPOLLIN ) //接收到資料,讀socket
{
if ( (sockfd = events[i].data.fd) < 0) continue;
n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0 //讀
ev.data.ptr = md; //md為自定義型別,新增資料
ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET;
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);//修改識別符號,等待下一個迴圈時傳送資料,非同步處理的精髓
}
else if(events[i].events&EPOLLOUT) //有資料待發送,寫socket
{
struct myepoll_data* md = (myepoll_data*)events[i].data.ptr; //取資料
sockfd = md->fd;
send( sockfd, md->ptr, strlen((char*)md->ptr), 0 ); //傳送資料
ev.data.fd=sockfd;
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev); //修改識別符號,等待下一個迴圈時接收資料
}
else
{
//其他情況的處理
}
}
}
linux c epoll 執行緒池專案下載地址:https://github.com/MSGF-NGINX/ServerMode.git