Linux epoll

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_createepoll_ctlepoll_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:
pt@Ubuntu:~$ cat /proc/sys/fs/file-max
6815744
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blockno-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 */ 
};

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);
  }

8 EPOLL模型的简单实例

#include 
#include  
#include 
#include  
#include 
#include  
#include  
#include 

#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);
        } 
      }
  }
}

9.epoll进阶思考

最近学习EPOLL模型,介绍中说将EPOLLWindows 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listenfdconnfd,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writewriteEAGAINEWOULDBLOCK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;
}

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 
#ifndef _NET_H
#define _NET_H

#include 
#include 
#include 

#include 
#include 
#include   //epoll ways file
#include 
#include     //block and noblock

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;
#define hand_error(msg) do{perror(msg); exit(EXIT_FAILURE);}while(0)
#endif

关于

signal(SIGPIPE, SIG_IGN) https://blog.csdn.net/lizhi200404520/article/details/6535983
socket编程(一)使用SOCK_STREAM建立可靠通信

https://blog.csdn.net/beautyleaf/article/details/51171103

setsockopt https://blog.csdn.net/yangzhongxuan/article/details/8079705

/***
server.c
*/**

#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 = "<"epoll_wait");
        }

        if( ret_events == 0)
        {
            cout<<"ret_events = "<continue;
        }

//      cout<<"ret_events = "<
        for( int num = 0; num < ret_events; num ++)
        {
            cout<<"num = "<cout<<"events[num].data.fd = "<if(events[num].data.fd == listenfd) //client connect
            {
                cout<<"listen sucess and listenfd = "<struct sockaddr*)&peer_addr, &peerlen);
                if(cli_sock < 0)
                    hand_error("accept");
                cout<<"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"<fputs(recvbuf,stdout);
                write(cli_sock, recvbuf, strlen(recvbuf));
            }
        }
    }

    return 0;
}

/***
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 = "<"  "<<"maxfd = "<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"<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 = "<memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));
                }
            }
        }
    }
    return 0;
}

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