高并发网络编程之epoll详解

jopen 5年前

在linux 没有实现epoll事件驱动机制之前,我们一般选择用select或者poll等IO多路复用的方法来实现并发服务程序。在大数据、高并发、集群等一些名词唱得火热之年代,select和poll的用武之地越来越有限,风头已经被epoll占尽。

本文便来介绍epoll的实现机制,并附带讲解一下select和poll。通过对比其不同的实现机制,真正理解为何epoll能实现高并发。

select()和poll() IO多路复用模型

select的缺点:

  1. 单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制,通常是1024,当然可以更改数量,但由于select采用轮询的方式扫描文件描述符,文件描述符数量越多,性能越差;(在linux内核头文件中,有这样的定义:#define __FD_SETSIZE    1024)
  2. 内核 / 用户空间内存拷贝问题,select需要复制大量的句柄数据结构,产生巨大的开销;
  3. select返回的是含有整个句柄的数组,应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件;
  4. select的触发方式是水平触发,应用程序如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行IO操作,那么之后每次select调用还是会将这些文件描述符通知进程。

相比select模型,poll使用链表保存文件描述符,因此没有了监视文件数量的限制,但其他三个缺点依然存在。

拿select模型为例,假设我们的服务器需要支持100万的并发连接,则在__FD_SETSIZE 为1024的情况下,则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。除了进程间上下文切换的时间消耗外,从内核/用户空间大量的无脑内存拷贝、数组轮询等,是系统难以承受的。因此,基于select模型的服务器程序,要达到10万级别的并发访问,是一个很难完成的任务。

因此,该epoll上场了。

epoll IO多路复用模型实现机制

由于epoll的实现机制与select/poll机制完全不同,上面所说的 select的缺点在epoll上不复存在。

设想一下如下场景:有100万个客户端同时与一个服务器进程保持着TCP连接。而每一时刻,通常只有几百上千个TCP连接是活跃的(事实上大部分场景都是这种情况)。如何实现这样的高并发?

在select/poll时代,服务器进程每次都把这100万个连接告诉操作系统(从用户态复制句柄数据结构到内核态),让操作系统内核去查询这些套接字上是否有事件发生,轮询完后,再将句柄数据复制到用户态,让服务器应用程序轮询处理已发生的网络事件,这一过程资源消耗较大,因此,select/poll一般只能处理几千的并发连接。

epoll的设计和实现与select完全不同。epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统(文件系统一般用什么数据结构实现?B+树)。把原先的select/poll调用分成了3个部分:

1)调用epoll_create()建立一个epoll对象(在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源)

2)调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接的套接字

3)调用epoll_wait收集发生的事件的连接

如此一来,要实现上面说是的场景,只需要在进程启动时建立一个epoll对象,然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同时,epoll_wait的效率也非常高,因为调用epoll_wait时,并没有一股脑的向操作系统复制这100万个连接的句柄数据,内核也不需要去遍历全部的连接。

下面来看看Linux内核具体的epoll机制实现思路。

当某一进程调用epoll_create方法时,Linux内核会创建一个eventpoll结构体,这个结构体中有两个成员与epoll的使用方式密切相关。eventpoll结构体如下所示:

struct eventpoll{      ....      /*红黑树的根节点,这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/      struct rb_root  rbr;      /*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/      struct list_head rdlist;      ....  };

每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体,用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。这些事件都会挂载在红黑树中,如此,重复添加的事件就可以通过红黑树而高效的识别出来(红黑树的插入时间效率是lgn,其中n为树的高度)。

而所有添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系,也就是说,当相应的事件发生时会调用这个回调方法。这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback,它会将发生的事件添加到rdlist双链表中。

在epoll中,对于每一个事件,都会建立一个epitem结构体,如下所示:

struct epitem{      struct rb_node  rbn;//红黑树节点      struct list_head    rdllink;//双向链表节点      struct epoll_filefd  ffd;  //事件句柄信息      struct eventpoll *ep;    //指向其所属的eventpoll对象      struct epoll_event event; //期待发生的事件类型  }

当调用epoll_wait检查是否有事件发生时,只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不为空,则把发生的事件复制到用户态,同时将事件数量返回给用户。

epoll.jpg

epoll数据结构示意图

从上面的讲解可知:通过红黑树和双链表数据结构,并结合回调机制,造就了epoll的高效。

OK,讲解完了Epoll的机理,我们便能很容易掌握epoll的用法了。一句话描述就是:三步曲。

第一步:epoll_create()系统调用。此调用返回一个句柄,之后所有的使用都依靠这个句柄来标识。

第二步:epoll_ctl()系统调用。通过此调用向epoll对象中添加、删除、修改感兴趣的事件,返回0标识成功,返回-1表示失败。

第三部:epoll_wait()系统调用。通过此调用收集收集在epoll监控中已经发生的事件。

最后,附上一个epoll编程实例。(作者为sparkliang)

//     // a simple echo server using epoll in linux    //     // 2009-11-05    // 2013-03-22:修改了几个问题,1是/n格式问题,2是去掉了原代码不小心加上的ET模式;  // 本来只是简单的示意程序,决定还是加上 recv/send时的buffer偏移  // by sparkling    //     #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>    #include <iostream>    using namespace std;    #define MAX_EVENTS 500    struct myevent_s    {        int fd;        void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);        int events;        void *arg;        int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in        char buff[128]; // recv data buffer        int len, s_offset;        long last_active; // last active time    };    // set event    void EventSet(myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void*), void *arg)    {        ev->fd = fd;        ev->call_back = call_back;        ev->events = 0;        ev->arg = arg;        ev->status = 0;      bzero(ev->buff, sizeof(ev->buff));      ev->s_offset = 0;        ev->len = 0;      ev->last_active = time(NULL);    }    // add/mod an event to epoll    void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev)    {        struct epoll_event epv = {0, {0}};        int op;        epv.data.ptr = ev;        epv.events = ev->events = events;        if(ev->status == 1){            op = EPOLL_CTL_MOD;        }        else{            op = EPOLL_CTL_ADD;            ev->status = 1;        }        if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0)            printf("Event Add failed[fd=%d], evnets[%d]\n", ev->fd, events);        else            printf("Event Add OK[fd=%d], op=%d, evnets[%0X]\n", ev->fd, op, events);    }    // delete an event from epoll    void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev)    {        struct epoll_event epv = {0, {0}};        if(ev->status != 1) return;        epv.data.ptr = ev;        ev->status = 0;      epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);    }    int g_epollFd;    myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd    void RecvData(int fd, int events, void *arg);    void SendData(int fd, int events, void *arg);    // accept new connections from clients    void AcceptConn(int fd, int events, void *arg)    {        struct sockaddr_in sin;        socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);        int nfd, i;        // accept        if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1)        {            if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)            {            }          printf("%s: accept, %d", __func__, errno);            return;        }        do        {            for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)            {                if(g_Events[i].status == 0)                {                    break;                }            }            if(i == MAX_EVENTS)            {                printf("%s:max connection limit[%d].", __func__, MAX_EVENTS);                break;            }            // set nonblocking          int iret = 0;          if((iret = fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0)          {              printf("%s: fcntl nonblocking failed:%d", __func__, iret);              break;          }          // add a read event for receive data            EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]);            EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, &g_Events[i]);        }while(0);        printf("new conn[%s:%d][time:%d], pos[%d]\n", inet_ntoa(sin.sin_addr),              ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active, i);    }    // receive data    void RecvData(int fd, int events, void *arg)    {        struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;        int len;        // receive data      len = recv(fd, ev->buff+ev->len, sizeof(ev->buff)-1-ev->len, 0);          EventDel(g_epollFd, ev);      if(len > 0)      {          ev->len += len;          ev->buff[len] = '\0';            printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buff);            // change to send event            EventSet(ev, fd, SendData, ev);            EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT, ev);        }        else if(len == 0)        {            close(ev->fd);            printf("[fd=%d] pos[%d], closed gracefully.\n", fd, ev-g_Events);        }        else        {            close(ev->fd);            printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno));        }    }    // send data    void SendData(int fd, int events, void *arg)    {        struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;        int len;        // send data        len = send(fd, ev->buff + ev->s_offset, ev->len - ev->s_offset, 0);      if(len > 0)        {          printf("send[fd=%d], [%d<->%d]%s\n", fd, len, ev->len, ev->buff);          ev->s_offset += len;          if(ev->s_offset == ev->len)          {              // change to receive event              EventDel(g_epollFd, ev);                EventSet(ev, fd, RecvData, ev);                EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, ev);            }      }        else        {            close(ev->fd);            EventDel(g_epollFd, ev);            printf("send[fd=%d] error[%d]\n", fd, errno);        }    }    void InitListenSocket(int epollFd, short port)    {        int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);        fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking        printf("server listen fd=%d\n", listenFd);        EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVENTS]);        // add listen socket        EventAdd(epollFd, EPOLLIN, &g_Events[MAX_EVENTS]);        // bind & listen        sockaddr_in sin;        bzero(&sin, sizeof(sin));        sin.sin_family = AF_INET;        sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;        sin.sin_port = htons(port);        bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin));        listen(listenFd, 5);    }    int main(int argc, char **argv)    {        unsigned short port = 12345; // default port        if(argc == 2){            port = atoi(argv[1]);        }        // create epoll        g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS);        if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d\n", g_epollFd);        // create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking        InitListenSocket(g_epollFd, port);        // event loop        struct epoll_event events[MAX_EVENTS];        printf("server running:port[%d]\n", port);        int checkPos = 0;        while(1){            // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event            long now = time(NULL);            for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd            {                if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle                if(g_Events[checkPos].status != 1) continue;                long duration = now - g_Events[checkPos].last_active;                if(duration >= 60) // 60s timeout                {                    close(g_Events[checkPos].fd);                    printf("[fd=%d] timeout[%d--%d].\n", g_Events[checkPos].fd, g_Events[checkPos].last_active, now);                    EventDel(g_epollFd, &g_Events[checkPos]);                }            }            // wait for events to happen            int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000);            if(fds < 0){                printf("epoll_wait error, exit\n");                break;            }            for(int i = 0; i < fds; i++){                myevent_s *ev = (struct myevent_s*)events[i].data.ptr;                if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN)) // read event                {                    ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);                }                if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT)) // write event                {                    ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);                }            }        }        // free resource        return 0;    }   

参考:《深入理解Nginx》

作者:快课网——Jay13