Linux的epoll

在linux的网络编程中,很长的时间都在使用select来做事件触发。在linux新的内核中,有了一网络
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在linux的网络编程中,很长的时间都在使用select来做事件触发。在linux新的内核中,有了一种替换它的机制,就是epoll。

相比于select,epoll最大的好处在于它不会随着监听fd数目的增长而降低效率。因为在内核中的select实现中,它是采用轮询来处理的,轮询的fd数目越多,自然耗时越多。并且,在
/usr/include/linux/posix_types.h头文件有这样的声明:

#define __FD_SETSIZE    1024

表示select最多同时监听1024个fd,当然,可以通过修改头文件再重编译内核来扩大这个数目,但这似乎并不治本。

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:

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。

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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;

}

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