epoll ET LT模式详细

EPOLL事件分发系统可以运转在两种模式下：Edge Triggered (ET)、Level Triggered (LT)。

LT是缺省的工作方式，并且同时支持block和no-blocksocket；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。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。

后面才是我想说的内容，既然ET模式是高速模式，那我们进行服务器开发是一定要使用的了，可是查遍文档，也没有找到ET模式的设置方法，到底如何设置和使 用呢？“EPOLLET”就是ET模式的设置了，以下就是将TCP套接字hSocket和 epoll关联起来的代码：

struct epoll_event struEvent;

struEvent.events = EPOLLIN | EPOLLOUT |EPOLLET;

struEvent.data.fd = hSocket;

   epoll_ctl(m_hEpoll, EPOLL_CTL_ADD, hSocket, &struEvent);

如果将监听套接字m_hListenSocket和epoll关联起来，则代码如下:

struct epoll_event struEvent;

struEvent.events = EPOLLIN | EPOLLET;

struEvent.data.fd = m_hListenSocket;

   epoll_ctl(m_hEpoll, EPOLL_CTL_ADD, m_hListenSocket, &struEvent);

如果想使用LT模式，直接把事件的赋值修改为以下即可，也许这就是缺省的意义吧。

struEvent.events = EPOLLIN | EPOLLOUT; //用户TCP套接字

struEvent.events = EPOLLIN;     //监听TCP套接字

不过，通过我的测试确定，这两种模式的性能差距还是非常大的，最大可以达到10倍。100个连接的压力测试，其他环境都相同，LT模式CPU消耗99%、ET模式15%。

 

 

 

 

epoll精髓

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. intepoll_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. intepoll_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. intepoll_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(比如在该rfd上write read等)。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(不会记住该写操作)。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。

ps:read可直接返回，write则要发送等到数据发完或者遇到缓冲区满返回EAGAIN EWOULDBLOCK

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;
}

 

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）。
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这句话的意思是在TCP协议中，这个ET模式的运行效率还需要更多的测试~~

 

EPOLLOUT事件：
EPOLLOUT事件只有在连接时触发一次，表示可写，其他时候想要触发，那你要先准备好下面条件：
1.某次write，写满了发送缓冲区，返回错误码为EAGAIN。
2.对端读取了一些数据，又重新可写了，此时会触发EPOLLOUT。
简单地说：EPOLLOUT事件只有在不可写到可写的转变时刻，才会触发一次，所以叫边缘触发，这叫法没错的！

其实，如果你真的想强制触发一次，也是有办法的，直接调用epoll_ctl重新设置一下event就可以了，event跟原来的设置一模一样都行（但必须包含EPOLLOUT），关键是重新设置，就会马上触发一次EPOLLOUT事件。

 

应该是这样的：buffer写满后，当再有EPOLLOUT事件发生，就要等待(阻塞）了了 等buffer有空余空间时再处理EPOLLOUT事件

EPOLLOUT事件的意思就是 当前这个socket的发送状态是空闲的，此时处理能力很强，告知用户可以发送数据。
所以在正常情况下，基本上socket在epoll_wait后，都会得到一个socket的EPOLLOUT事件。【如果你不是一直在写数据或者你不是在传送一个几百M的数据文件，send一半都处于空闲状态】
而这个特性刚好可以处理楼主所谓的 阻塞问题。
当数据发送不出去的时候，说明网络阻塞或者延迟太厉害了。
那么将要发送的数据放在一个buffer中，当下次你发现了EPOLLOUT事件时，说明现在网络处于空闲状态，OK，此时你可以用另外一个线程来发送上次堆积在buffer中的数据了。这样就不会阻塞了

 

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

 

 

 

我们目前的网络模型大都是epoll的，因为epoll模型会比select模型性能高很多， 尤其在大连接数的情况下，作为后台开发人员需要理解其中的原因。

 

select/epoll的特点

 

select的特点：select 选择句柄的时候，是遍历所有句柄，也就是说句柄有事件响应时，select需要遍历所有句柄才能获取到哪些句柄有事件通知，因此效率是非常低。但是如果连接很少的情况下， select和epoll的LT触发模式相比， 性能上差别不大。

 

这里要多说一句，select支持的句柄数是有限制的， 同时只支持1024个，这个是句柄集合限制的，如果超过这个限制，很可能导致溢出，而且非常不容易发现问题， TAF就出现过这个问题， 调试了n天，才发现：）当然可以通过修改linux的socket内核调整这个参数。

 

epoll的特点：epoll对于句柄事件的选择不是遍历的，是事件响应的，就是句柄上事件来就马上选择出来，不需要遍历整个句柄链表，因此效率非常高，内核将句柄用红黑树保存的。

 

对于epoll而言还有ET和LT的区别，LT表示水平触发，ET表示边缘触发，两者在性能以及代码实现上差别也是非常大的。

 

epoll的LT和ET的区别

 

LT：水平触发，效率会低于ET触发，尤其在大并发，大流量的情况下。但是LT对代码编写要求比较低，不容易出现问题。LT模式服务编写上的表现是：只要有数据没有被获取，内核就不断通知你，因此不用担心事件丢失的情况。

 

ET：边缘触发，效率非常高，在并发，大流量的情况下，会比LT少很多epoll的系统调用，因此效率高。但是对编程要求高，需要细致的处理每个请求，否则容易发生丢失事件的情况。

 

下面举一个列子来说明LT和ET的区别（都是非阻塞模式，阻塞就不说了，效率太低）：

 

采用LT模式下， 如果accept调用有返回就可以马上建立当前这个连接了，再epoll_wait等待下次通知，和select一样。

 

但是对于ET而言，如果accpet调用有返回，除了建立当前这个连接外，不能马上就epoll_wait还需要继续循环accpet，直到返回-1，且errno==EAGAIN，TAF里面的示例代码：

 

if(ev.events& EPOLLIN)

 

{

 

    do

 

    {

 

        struct sockaddr_in stSockAddr;

 

        socklen_t iSockAddrSize =sizeof(sockaddr_in);

 

        TC_Socket cs;

 

        cs.setOwner(false);

 

        //接收连接

 

        TC_Socket s;

 

        s.init(fd, false, AF_INET);

 

        int iRetCode = s.accept(cs, (structsockaddr *) &stSockAddr, iSockAddrSize);

 

        if (iRetCode > 0)

 

        {

 

            …建立连接

 

        }

 

        else

 

        {

 

            //直到发生EAGAIN才不继续accept

 

            if(errno == EAGAIN)

 

            {

 

                break;

 

            }

 

        }

 

    }while(true);

 

}

 

同样，recv/send等函数， 都需要到errno==EAGAIN

 

从本质上讲：与LT相比，ET模型是通过减少系统调用来达到提高并行效率的。

 

epoll ET详解

 

ET模型的逻辑：内核的读buffer有内核态主动变化时，内核会通知你， 无需再去mod。写事件是给用户使用的，最开始add之后，内核都不会通知你了，你可以强制写数据（直到EAGAIN或者实际字节数小于 需要写的字节数），当然你可以主动mod OUT，此时如果句柄可以写了（send buffer有空间），内核就通知你。

 

这里内核态主动的意思是：内核从网络接收了数据放入了读buffer（会通知用户IN事件，即用户可以recv数据）

 

并且这种通知只会通知一次，如果这次处理（recv）没有到刚才说的两种情况（EAGIN或者实际字节数小于 需要读写的字节数），则该事件会被丢弃，直到下次buffer发生变化。

 

与LT的差别就在这里体现，LT在这种情况下，事件不会丢弃，而是只要读buffer里面有数据可以让用户读，则不断的通知你。

 

另外对于ET而言，当然也不一定非send/recv到前面所述的结束条件才结束，用户可以自己随时控制，即用户可以在自己认为合适的时候去设置IN和OUT事件：

 

1 如果用户主动epoll_mod OUT事件，此时只要该句柄可以发送数据（发送buffer不满），则epoll

 

_wait就会响应（有时候采用该机制通知epoll_wai醒过来）。

 

2 如果用户主动epoll_mod IN事件，只要该句柄还有数据可以读，则epoll_wait会响应。

 

这种逻辑在普通的服务里面都不需要，可能在某些特殊的情况需要。 但是请注意，如果每次调用的时候都去epoll mod将显著降低效率，已经吃过几次亏了！

 

因此采用et写服务框架的时候，最简单的处理就是：

 

建立连接的时候epoll_add IN和OUT事件， 后面就不需要管了

 

每次read/write的时候，到两种情况下结束：

 

1 发生EAGAIN

 

2read/write的实际字节数小于 需要读写的字节数

 

对于第二点需要注意两点：

 

A：如果是UDP服务，处理就不完全是这样，必须要recv到发生EAGAIN为止，否则就丢失事件了

 

因为UDP和TCP不同，是有边界的，每次接收一定是一个完整的UDP包，当然recv的buffer需要至少大于一个UDP包的大小

 

随便再说一下，一个UDP包到底应该多大？

 

对于internet，由于MTU的限制，UDP包的大小不要超过576个字节，否则容易被分包，对于公司的IDC环境，建议不要超过1472，否则也比较容易分包。

 

B 如果发送方发送完数据以后，就close连接，这个时候如果recv到数据是实际字节数小于读写字节数，根据开始所述就认为到EAGIN了从而直接返回，等待下一次事件，这样是有问题的，close事件丢失了！

 

因此如果依赖这种关闭逻辑的服务，必须接收数据到EAGIN为止，例如lb。