Socket网络编程之IO多路复用——select、poll、epoll详谈

文章目录

  • 回忆
    • 1 用户态和内核态
    • 2 虚拟内存空间:内核空间和用户空间
    • 3 用户态、内核态 与 内核空间、用户空间
  • 一、select、poll、epoll详谈
    • 1.1 select、poll、epoll的作用
      • 1.1.1 select与poll
    • 1.2 select、poll、epoll的区别
      • 1.2.1 支持一个进程所能打开的最大连接数(==存储fd的数据结构不同==)
      • 1.2.2 FD剧增后带来的IO效率问题(==遍历fd的时候产生的问题==)
      • 1.2.3 消息传递方式(==从用户态拷贝到内核态的时间开销==)
  • 二、epoll详解
    • 2.1 epoll_create()
    • 2.2 epoll_ctl()
    • 2.3 epoll_wait()
    • 2.4 epoll边缘触发与水平触发
    • 2.5 代码示例
  • 感谢

回忆

1 用户态和内核态

用户态内核态描述的是进程所处的不同运行级别,当进程需要访问操作系统提供的底层资源或执行底层操作时,需要通过系统调用切换到内核态
也可以说:
用户态和内核态是计算机操作系统中的两个不同的运行级别,用于区分操作系统内核和应用程序之间的访问权限和资源控制

内核态:处于内核态的 CPU 可以访问任意的数据,包括外围设备,比如网卡、硬盘等,处于内核态的 CPU 可以从一个程序切换到另外一个程序,并且占用 CPU 不会发生抢占情况,一般处于特权级 0 的状态我们称之为内核态。

用户态:处于用户态的 CPU 只能受限的访问内存,并且不允许访问外围设备,用户态下的 CPU 不允许独占,也就是说 CPU 能够被其他程序获取。

2 虚拟内存空间:内核空间和用户空间

在 Linux 操作系统中,虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分,不同位数的系统,地址空间的范围也不同。比如最常见的 32 位和 64 位系统,如下所示:
Socket网络编程之IO多路复用——select、poll、epoll详谈_第1张图片
接下来,进一步了解虚拟空间的划分情况,用户空间和内核空间划分的方式是不同的,内核空间的分布情况不考虑。
主要讨论用户空间分布的情况,以 32 位系统为例,用户空间分布如图所示:
Socket网络编程之IO多路复用——select、poll、epoll详谈_第2张图片
通过这张图你可以看到,用户空间内存,从低到高分别是 6 种不同的内存段:

代码段,包括二进制可执行代码;
数据段,包括已初始化的静态常量和全局变量;
BSS 段,包括未初始化的静态变量和全局变量;
堆段,包括动态分配的内存,从低地址开始向上增长;
文件映射段,包括动态库、共享内存等,从低地址开始向上增长(跟硬件和内核版本有关 (opens new window));
栈段,包括局部变量和函数调用的上下文等。栈的大小是固定的,一般是 8 MB。当然系统也提供了参数,以便我们自定义大小;

堆段和文件映射段的内存是动态分配的,可以使用 C 标准库的 malloc() 或者 mmap() ,就可以分别在堆和文件映射段动态分配内存。

3 用户态、内核态 与 内核空间、用户空间

再来说说,用户态、内核态 与 内核空间、用户空间的联系

进程在用户态时,只能访问用户空间内存
只有进入内核态后,才可以访问内核空间内存

虽然每个进程都各自有独立的虚拟内存,但是进程所持有虚拟内存中的内核地址,其实关联的都是相同的物理内存。这样,进程切换到内核态后,就可以很方便地访问内核空间内存。
Socket网络编程之IO多路复用——select、poll、epoll详谈_第3张图片

一、select、poll、epoll详谈

1.1 select、poll、epoll的作用

Linux操作系统中的三种多路复用系统调用:select、poll和epoll,它们使得一个进程可以同时等待多个文件描述符fd(通常是socket)上的事件,以实现对多个socket连接进行并发处理。

1.1.1 select与poll

select 实现多路复用的方式是,将已连接的 Socket 都放到一个文件描述符集合,然后调用 select 函数将文件描述符集合拷贝到内核空间里,让内核来检查是否有网络事件产生,检查的方式很粗暴,就是通过遍历文件描述符集合的方式,当检查到有事件产生后,将此 Socket 标记为可读或可写, 接着再把整个文件描述符集合拷贝回用户空间里,然后用户态还需要再通过遍历的方法找到可读或可写的 Socket,然后再对其处理。
所以,对于 select 这种方式,分两步:
第一步,进行 2 次「遍历」文件描述符集合,一次是在内核态里,一个次是在用户态里 ;
第二步,进行 2 次「拷贝」文件描述符集合,先从用户空间传入内核空间,由内核修改后,再传出到用户空间中。

poll与select唯一的区别:poll 不再用 BitsMap 来存储所关注的文件描述符,取而代之用动态数组,以链表形式来组织。

1.2 select、poll、epoll的区别

1.2.1 支持一个进程所能打开的最大连接数(存储fd的数据结构不同

select:单进程所打开的最大连接数有FDSETSIZE宏定义,其大小是32个整数的大小(在32位的机器上,大小就是3232,同理64位机器上FDSETSIZE为3264),当然我们可以对进行修改,然后重新编译内核,但是性能可能会受到影响,这需要进一步的测试。

poll: poll本质上和selet没有区别,但是它没有最大连接数的限制,原因是它是基于链表来存储的。

epoll:虽然连接数有上限,但是很大,1G内存的机器上可以打开10万左右的连接,2G内存的机器可以打开20万左右的连接。

补充:
epoll 在内核里使用红黑树来跟踪进程所有待检测的fd,把需要监控的socket 通过 epoll_ctl() 函数加入内核中的红黑树里。红黑树是个高效的数据结构,增删改一般时间复杂度是 O(logn)。
而 select/poll 内核里没有类似 epoll 红黑树这种保存所有待检测的 socket 的数据结构,所以select/poll 每次操作时都传入整个 socket 集合给内核,而 epoll 因为在内核维护了红黑树,可以保存所有待检测的 socket ,所以只需要传入一个待检测的 socket,减少了内核和用户空间大量的数据拷贝和内存分配。

1.2.2 FD剧增后带来的IO效率问题(遍历fd的时候产生的问题

select:因为每次调用时都会对连接进行线性遍历,所以随着fd的增加会造成遍历速度慢的”线性下降性能问题“。

poll:同select

epoll:epoll 使用事件驱动的机制,内核里维护了一个「链表」来记录就绪事件,只将有事件发生的 Socket 集合传递给应用程序,不需要像 select/poll 那样轮询扫描整个集合(包含有和无事件的 Socket )。
具体而言,epoll内核中的实现是根据每fd上的callback函数来实现的,只有活跃的Socket 才会主动调用calback,所以在活跃Socket 少的情况下,使用epoll没有前面两者的线性下降的性能问题,但是所有socket都很活跃的情况下,可能会有性能问题。

1.2.3 消息传递方式(从用户态拷贝到内核态的时间开销

select:内核需要将消息传递到用户空间,都需要内核拷贝动作(每次调用select,都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态,这个开销在fd很多时会很大)

poll:同上

epoll:epoll通过内核空间和用户空间共享一块内存来实现的。
epoll 的方式即使监听的 Socket 数量越多的时候,效率不会大幅度降低,能够同时监听的 Socket 的数目也非常的多了,上限就为系统定义的进程打开的最大文件描述符个数。因而,epoll 被称为解决 C10K 问题的利器。

插个题外话,网上文章不少说,epoll_wait 返回时,对于就绪的事件,epoll 使用的是共享内存的方式,即用户态和内核态都指向了就绪链表,所以就避免了内存拷贝消耗。

这是错的!看过 epoll 内核源码的都知道,压根就没有使用共享内存这个玩意。你可以从下面这份代码看到, epoll_wait 实现的内核代码中调用了 __put_user 函数,这个函数就是将数据从内核拷贝到用户空间。
Socket网络编程之IO多路复用——select、poll、epoll详谈_第4张图片

补充:epoll 在内核里使用红黑树来跟踪进程所有待检测的文件描述字,把需要监控的 socket 通过 epoll_ctl() 函数加入内核中的红黑树里,红黑树是个高效的数据结构,增删改一般时间复杂度是 O(logn)。

二、epoll详解

1 epoll 在内核里使用红黑树来跟踪进程所有待检测的fd,把需要监控的 socket 通过 epoll_ctl() 函数加入内核中的红黑树里。减少了内核和用户空间大量的数据拷贝和内存分配
总结:存储fd的数据结构为红黑树,又快、又能连

2 epoll 使用事件驱动的机制,内核里维护了一个链表来记录就绪事件,当某个 socket 有事件发生时,通过回调函数内核会将其加入到这个就绪事件列表中,当用户调用 epoll_wait() 函数时,只会返回有事件发生的文件描述符的个数。不像 select/poll 那样轮询扫描整个 socket 集合,大大提高了检测的效率。
总结:IO效率高
Socket网络编程之IO多路复用——select、poll、epoll详谈_第5张图片

2.1 epoll_create()

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;
    ....
};

2.2 epoll_ctl()

通过 epoll_ctl() 方法向 epoll 对象中添加进来的事件fd。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lg(n),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fd,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
}

2.3 epoll_wait()

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。

eventpoll结构体总结:
Socket网络编程之IO多路复用——select、poll、epoll详谈_第6张图片
从上面的讲解可知:通过红黑树(存fd)双链表数据结构(事件触发),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。

2.4 epoll边缘触发与水平触发

例子:如果你有一个快递在快递站,快递站会一直给你打电话直到你去取出,则为水平触发;
如果快递站只给你发一条短信叫你去取,随后就不管了,则为边沿触发。
1、水平触发(EPOLLLT)
水平触发:只要缓冲区有数据,epoll_wait就会一直被触发,直到缓冲区为空;

水平触发(EPOLLLT)是epoll默认的工作模式,其优缺点如下:
优点:保证了数据的完整输出;
缺点:当数据较大时,需要不断从用户态和内核态切换,消耗了大量的系统资源,影响服务器性能;
应用场景:应用较少,一般用于连接请求较少及客户端发送的数据量较少的服务器,可一次性接收所有数据。此时,若使用边沿触发,会多调用一次accept/read等来判断数据是否为空。

2、边沿触发(EPOLLET)
边沿触发:只有所监听的事件状态改变或者有事件发生时,epoll_wait才会被触发;

epoll边沿触发时,假设一个客户端发送100字节的数据,而服务器设定read每次读取20字节,那么一次触发只能读取20个字节,然后内核调用epoll_wait直到下一次事件发生,才会继续从剩下的80字节读取20个字节,由此可见,这种模式其工作效率非常低且无法保证数据的完整性,因此边沿触发不会单独使用。

边沿触发通常与非阻塞IO一起使用,其工作模式为:epoll_wait触发一次,在while(1)循环内非阻塞IO读取数据,直到缓冲区数据为空(保证了数据的完整性),内核才会继续调用epoll_wait等待事件发生。

任何情况都应该优先选择“边沿触发(EPOLLET)+非阻塞IO”模式。

2.5 代码示例

// a simple echo server using epoll in linux  
  
#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
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;  
}   

感谢

感谢博主@-特立独行的猪- 提供资料的支持。

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