『Linux』I/O多路转接之epoll模型

在看epoll模型之前，我们先来看一下poll模型。

poll函数

// 头文件：poll.h
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
/*
*	参数：
*		fds：是一个poll函数监听的结构列表。每一个元素中，包含了三部分内容：
*			文件描述符、监听的事件集合、返回的事件集合；
*		nfds：表示fds数组的长度；
*		timeout：超时时间，单位ms。
*	返回值：
*		出错：返回值小于0；
*		poll函数等待超时：返回值等于0；
*		有监听的描述符就绪：返回值大于0。
*/

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使用下面命令打开poll.h头文件来看一下struct pollfd的结构：

[sss@aliyun ~]$ vim /usr/include/sys/poll.h

• fd：文件描述符；
• events：监听的事件集合；
• revents：返回的事件集合。

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events和revents的取值如下：

事件	描述	是否可作为输入	是否可作为输出
POLLIN	数据（包括普通数据和优先数据）可读	是	是
POLLRDNORM	普通数据可读	是	是
POLLRDBAND	优先级带数据可读（Linux不支持）	是	是
POLLPRI	高优先级数据可读，比如TCP带外数据	是	是
POLLOUT	数据（包括普通数据和优先数据）可写	是	是
POLLWRNORM	普通数据可写	是	是
POLLWRBAND	优先级带数据可写	是	是
POLLRDHUP	TCP连接被对方关闭，或者对方关闭了写操作。由GNU引入	是	是
POLLERR	错误	否	是
POLLHUP	挂起。比如管道的写端被关闭后，读端描述符上将收到POLLHUP事件	否	是
POLLNVAL	文件描述符没有打开	否	是

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poll执行过程：

1. 用户定义事件数组，对描述符可以添加关心的事件，进行监控；
2. poll实现监控的原理也是将数据拷贝到内核进行轮询遍历监控。性能随着描述符的增多下降；
3. 用户根据返回的revents判断哪一个事件就绪，只是告诉了用户有就绪事件，还是需要用户遍历查找。

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poll示例，使用poll监控标准输入：

#include 
#include 
#include 
#include 

#define BUF_SIZE 1024

int main(){
	struct pollfd poll_fd;
	// 监控0号文件描述符
	poll_fd.fd = 0;
	// 监听的事件
	poll_fd.events = POLLIN;

	while(1){
		std::cout << "> ";
		fflush(stdout);

		// 监控标准输入
		int ret = poll(&poll_fd, 1, 5000);
		if(ret < 0){
			// 监控出错
			perror("poll error");
			continue;
		}
		else if(ret == 0){
			// 监控超时
			std::cout << "poll timeout!\n";
		}

		// 就绪的事件
		if(poll_fd.revents == POLLIN){
			char buf[BUF_SIZE] = {0};
			// 读取标准输入
			read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
			// 打印读取到的标准输入
			std::cout << "stdin: " << buf;
		}
	}

	return 0;
}

编译运行程序，效果如下：

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poll优缺点分析。
优点：

• pollfd结构包含了要监视的event和发生的event，不要再使用select"参数-值"传递的方式。接口使用比select更方便。
• poll没有最大数量限制（但是数量过大后性能也是会下降）。

缺点：
当poll中监听的文件描述符增多时：

• 和select函数一样，poll返回后，需要轮询pollfd来获取就绪的描述符。
• 每次调用poll都需要把大量的pollfd结构从用户态拷贝到内核态。
• 同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的处于就绪状态，因此随着监视的描述符的数量的增长，其效率也会线性下降。
• 不能跨平台，只能在Linux下使用。

epoll

我们先使用man手册来看一下epoll：

从man手册，我们可以看到，epoll是为处理大量描述符而作了改进的poll。

epoll相关接口

epoll有3个相关的系统调用。

// 头文件：sys/epoll.h
// 功能：创建一个eventpoll结构体，用完之后必须调用close()关闭。
int epoll_create(int size);
/*
*	参数：
*		size：能监控的描述符上限，Linux2.6.8之后被忽略了，只要大于0就可以。
*	返回值：
*		文件描述符（非负整数），epoll的操作句柄。
*/

struct eventpoll{
	...
	// 红黑树的根节点，这棵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;
	...
}

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// 头文件：sys/epoll.h
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
/*
*	参数：
*		epfd：epoll的句柄；
*		op：动作，用三个宏表示；
*			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。
*		fd：需要监听的fd；
*		event：需要监听的事件。
*	返回值：
*		成功，返回0；失败，返回值小于0。
*/

我们使用下面命令，打开epoll.h看一下epoll_event的结构：

[sss@aliyun ~]$ vim /usr/include/sys/epoll.h

data是事件对应的数据，描述符就绪后就会返回事件结构，用户可以获得这个数据。
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haul，需要再次把这个socket加入到epoll队列里。

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// 头文件：sys/epoll.h
// 功能：开始监控
int epoll_wait(
	int epfd, struct epoll_event *events, 
	int maxevents, int timeout
);
/*
*	参数：
*		epfd：epoll操作句柄；
*		events：事件结构体数组，用于保存就绪的描述符对应事件；
*		maxevents：用于确定一次最多获取的就绪事件个数，防止events数组溢出；
*		timeout：超时等待时间，单位ms。
*	返回值：
*		出错，小于0；超时，等于0；就绪的事件个数，大于0。
*/

epoll工作原理

• 当进程调用epoll_create方法时，Linux内核会创建一个eventpoll结构体，这个结构体重有两个成员，一棵红黑树（保存所有要监控的事件），一个双向链表（保存将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件）。
• 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（红黑树的插入效率是log(N)，其中N为树高）。
• 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，当响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。
• 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，则将发生的事件复制到用户态，同时将事件数量返回给用户。这个操作的时间复杂度是O(1)。

epitem结构体如下：

struct epitem {
　　...
　　//红黑树节点
　　struct rb_node rbn;
　　//双向链表节点
　　struct list_head rdllink;
　　//事件句柄等信息
　　struct epoll_filefd ffd;
　　//指向其所属的eventepoll对象
　　struct eventpoll *ep;
　　//期待的事件类型
　　struct epoll_event event;
　　...
}; // 这里包含每一个事件对应着的信息。

简单来说，epoll的使用过程如下：

1. 调用epoll_create创建一个epoll对象；
2. 调用epoll_ctl，将要监控的文件描述符进行注册；
3. 调用epoll_wait，等待文件描述符就绪。

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epoll的优点

• 接口使用方便：虽然拆分成三个函数，但是反而使用起来更方便高效。不需要每次循环都设置关注的文件描述符，也做到了输入输出参数分离开。
• 数据拷贝轻量：只在合适的时候调用EPOLL_CTL_ADD将文件描述符结构拷贝到内核中，这个操作并不频繁（而select/poll都是每次循环都要进行拷贝）。
• 事件回调机制：避免使用遍历，而是使用回调函数的方式，将就绪的文件描述符加入到就绪队列中，epoll_wait返回直接访问就绪队列就知道哪些文件描述符就绪。这个操作的时间复杂度是$O(1)$。即使文件描述符数目很多，效率也不会受到影响。
• 没有数量限制：文件描述符数目无上限。

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epoll工作方式

水平触发（LT）：

• 当epoll检测到socket上事件就绪的时候，可以不立刻进行处理。或者只处理一部分。
• 如过socket一段被写入2K的数据，我们只读取1K数据，缓冲区中还剩1K数据，在第二次调用epoll_wait时，epoll_wait仍然会立刻返回并通知socket读事件就绪。
• 直到缓冲区上所有的数据都被处理完，epoll_wait才不会立刻返回。
• 支持阻塞读写和非阻塞读写。

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边缘触发（ET）：

• 当epoll检测到socket上事件就绪时，必须立刻处理。
• 如上面的例子，虽然只读了1K的数据，缓冲区还剩1K数据，在第二次调用epoll_wait的时候，epoll_wait不会再返回了。
• 也就是说，ET模式下，文件描述符上的事件就绪后，只有一次处理机会。
• ET的性能比LT性能更高（epoll_wait返回的次数少了很多）。Nginx默认采用ET模式使用epoll。
• 只支持非阻塞读写。