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epoll系统调用和select以及poll是一样的#xff0c;都是可以让我们的程序同时监视多个文件描述符上的事件是否就绪。
epoll… 文章目录 1. 认识epoll2. epoll相关系统调用接口3. epoll工作原理4. epoll服务器5. epoll的优点6. epoll的工作方式7. epoll的使用场景 1. 认识epoll
epoll系统调用和select以及poll是一样的都是可以让我们的程序同时监视多个文件描述符上的事件是否就绪。
epoll在命名上比poll多了一个poll这个e可以理解为extendepoll就是为了同时处理大量文件描述符而改进的poll。
epoll在2.5.44内核中被引进它几乎具备了select和poll的所有优点被公认为Linux2.6下性能最好的多路IO就绪通知方法。
2. epoll相关系统调用接口
epoll有三个相关系统调用接口分别是epoll_createepoll_ctl 和 epoll_wait。 epoll_create epoll_create函数的作用就是创建一个epoll的文件描述符。 参数说明
size自从Linux2.6.8之后size参数是被忽略的但size的值必须设置为大于0的值。
返回值说明
epoll模型创建成功返回其对应的文件描述符否则返回-1同时错误码会被设置。
注意当不再使用时必须调用close函数关闭epoll模型对应的文件描述符当所有引用epoll实例的文件描述符都已经关闭时内核将销毁该实例并释放相关资源。 epoll_ctl epoll_ctl 函数用于向指定的epoll模型中注册事件它不同于seletct()的一点就是select在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件而它是先注册要监听的事件类型。 参数说明
epfdepoll_create的返回值op表示具体的动作用三个宏来表示fd需要监视的文件描述符event告诉内核需要监听什么事件
第二个参数op的取值有以下三种
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中删除指定的文件描述符。
返回值说明
函数调用成功返回0调用失败返回-1同时错误码会被设置。
第四个参数struct epoll_event 结构如下 struct epoll_event结构当中有两个成员第一个成员events表示的是需要监听的事件第二个成员data是一个联合体结构一般选择使用该结构当中的fd表示需要监听的文件描述符。
events常用取值如下
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送错误EPOLLHUP表示对应的文件描述符被挂断即对端文件描述符关闭EPOLLET将epoll的工作方式设置为边缘触发模式。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该文件描述符的话需要重新将该文件描述符添加到EPOLL队列中。
这些取值也是以宏的方式进行定义的它们的二进制序列当中有且只有一个比特位是1且为1的比特位是各不相同的。 epoll_wait epoll_wait 函数用于收集监视的事件中已经就绪的事件 参数说明
epfd指定的epoll模型epoll_create的返回值eventsepoll会把发送的事件赋值到events数组中events不可以是空指针内核只负责把数组复制到这个events数组中不会帮助我们在用户态中分配内存。maxeventsevents数组中的元素个数该值不能大于创建epoll模型使传入的size值。timeout表示epoll_wait函数的超时时间单位是毫秒ms。
参数timeout的取值
-1epoll_wait调用后进行阻塞等待直到被监视的某个文件描述符的某个事件就绪。0epoll_wait调用后进行非阻塞等待无论被监视的文件描述符上的事件是否就绪epoll_wait检测后都会立刻返回。特定的时间值epoll_wait 调用后在直到的时间内进行阻塞等待如果监视的文件描述符上一直没有事件就绪则在该时间后epoll_wait进行超时返回。
返回值说明
如果函数调用成功则返回有事件就绪的文件描述符个数。如果timeout时间耗尽则返回0。如果函数调用失败则返回-1同时错误码会被设置。
epoll_wait 调用失败时错误码可能被设置为
EBADF传入的epoll模型对应的文件描述符无效。EFAULTevents指向的数组空间无法通过写入权限访问。EINTR此调用被信号所中断。EINVALepfd不是一个epoll模型对应的文件描述符或传入的maxevents小于等于0。
3. epoll工作原理 红黑树和就绪队列 当某一进程调用epoll_create函数时Linux内核会创建一个eventpoll结构体也就是我们所说的epoll模型eventpoll结构体当中的成员rbr和成员rdlist与epoll的使用方式密切相关。
epoll模型当中的红黑树本质就是告诉内核需要监视哪些文件描述符上的哪些事件调用epoll_ctl 函数实际就是在对这颗红黑树进行对应的增删查改操作。epoll模型当中的就绪队列本质就是告诉内核哪些文件描述符上的哪些事件已经就绪了调用epoll_wait 函数实际就是在从就绪队列当中获取已经就绪的事件。
注意
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。而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地识别出来。而所有添加到epoll中的事件都会与设备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。 对于epitem结构当中的rbn成员来说ffd与event的含义是需要监视的ffd上的event事件是否就绪。对于epitem结构当中的rdllink成员来说ffd与event的含义是ffd上的event事件已经就绪了。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双链表中是否含有epitem元素即可。如果rdlist不为空则把发送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为O(1)。
说明一下
红黑树是一种二叉搜索树因此必须有键值key而这里的文件描述符就可以天然地作为红黑树的key值。调用epoll_ctl向红黑树当中新增节点时如果设置了EPOLLONESHEOT选项当监听完这次事件之后如果还要继续监听该文件描述符则需要重新将其添加到epoll模型中本质就是当设置了EPOLLONESHOT的事件就绪时操作系统会自动将其从红黑树当中删除。而如果调用epoll_ctl向红黑树当中新增节点时没有设置EPOLLONSHOT那么该节点插入红黑树之后就会一直存在除非用户调用epoll_ctl将该节点从红黑树当中删除。 回调机制 所有添加到红黑树当中的事件都会与设备网卡驱动程序建立回调方法这个回调方法在内核中叫做ep_poll_callback。
对于select和poll来说操作系统在监视多个文件描述符上的事件是否就绪时需要让操作系统主动对这多个文件描述符进行轮询检测这一定会增加操作系统的负担。而对于epoll来说操作系统不需要主动进行事件的检测当红黑树中监视的事件就绪时会自动调用对应的回调方法将就绪的事件添加到就绪队列当中。当用户调用epoll_wait函数获取就绪事件时只需要关注底层就绪队列是否为空如果不为空则将就绪队列当中的就绪事件拷贝给用户即可。
采用回调机制最大的好处就是不再需要操作系统主动对就绪事件进行检测了当时间就绪时会自动调用对应的回调函数进行处理。
说明一下
只有添加到红黑树当中的事件才会与底层建立回调方法因此只有当红黑树当中对应的事件就绪时才会执行对应的回调方法将其添加到就绪队列当中。当不断有监视的事件就绪时会不断有回调方法向就绪队列当中插入节点而上层也会不断调用epoll_wait函数从就绪队列中获取节点这也是典型的生产者消费者模型。由于就绪队列可能会被多个执行流同时访问因此必须要使用互斥锁对其进行保护eventpoll结构当中的lock和mtx就是保护临界资源的因此epoll本身是线程安全的。eventpoll结构当中的wawait queue就是等待队列当多个执行流想要同时访问同一个epoll模型时就需要在该等待队列下进行等待。 epoll三部曲 调用epoll_create创建一个epoll模型调用epoll_ctl将要监视的文件描述符进行注册调用epoll_wait等待文件描述符就绪
4. epoll服务器
为了简单演示一下epoll的使用方式这里我们实现一个简单的epoll服务器该服务器是获取客户端发来的数据并进行打印。 EpollServer类 EpollServer类中除了包含监听套接字和端口号两个成员变量之外最好将epoll模型对应的文件描述符也作为一个成员变量。
在构造EpollServer对象时需要指明epoll服务器的端口号当然也可以在初始化epoll服务器的时候指明。在初始化epoll服务器的时候调用Socket类中的函数该Socket类中封装了进行TCP传输的方法一次进行套接字的创建、绑定和监听、此外epoll模型的创建可以在服务器初始化的时候进行。在析构函数中调用close函数将监听套接字和epoll模型对应的文件描述符进行关闭。
#include Socket.hpp
#include sys/epoll.h#define BACK_LOG 5
#define SIZE 256class EpollServer
{
public:EpollServer(int port): _port(port){}void InitEpollServer(){_listen_sock Socket::SocketCreate();Socket::SocketBind(_listen_sock, _port);Socket::SocketListen(_listen_sock, BACK_LOG);// 创建epoll模型_epfd epoll_create(SIZE);if (_epfd 0){std::cerr epoll_create error std::endl;exit(5);}}~EpollServer(){if (_listen_sock 0) close(_listen_sock);if (_epfd) close(_epfd);}private:int _listen_sock; // 监听套接字int _port; // 服务器端口号int _epfd; // epollfd
};运行服务器 服务器初始化完毕之后就可以开始运行了而epoll服务器要做的就是不断调用epoll_wait函数从就绪队列中获取就绪事件进行处理即可。
首先在epoll服务器开始死循环调用epoll_wait之前需要先调用epoll_ctl将监听套接字添加到epoll模型中表示服务器开始运行时只需要监视监听套接字的读事件。此后epoll服务器就不断调用epoll_wait函数监视读事件是否就绪。如果epoll_wait函数的返回值大于0则说明已经有文件描述符的读事件就绪并且此事的返回值代表的就是有事件就绪的文件描述符的个数接下来就应该对就绪事件进行处理。如果epoll_wait的函数返回值等于0则说明timeout时间耗尽此事直接准备下一次epoll_wait调用即可。如果epoll_wait函数返回值为-1此时也让服务器进行下一次epoll_wait调用但是实际应该进一步判断错误码根据错误码来判断是否应该继续调用epoll_wait函数。 void HandlerEvent(struct epoll_event revs[], int num){for (int i 0; i num; i){int fd revs[i].data.fd; // 就绪的文件描述符if (fd _listen_sock revs[i].events EPOLLIN){// 连接事件就绪struct sockaddr_in peer;memset(peer, 0, sizeof(peer));socklen_t len sizeof(peer);int sock accept(_listen_sock, (struct sockaddr*)peer, len);if (sock 0){std::cerr accept error std::endl;continue;}std::string peer_ip inet_ntoa(peer.sin_addr);int peer_port ntohs(peer.sin_port);std::cout get a new link[ peer_ip : peer_port ] std::endl;// 将获取到的文件描述符添加到sock中并关心其读事件AddEvent(sock, EPOLLIN); }else if (revs[i].events EPOLLIN){char buffer[1024];ssize_t size recv(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);if (size 0){buffer[size] 0;std::cout echo# buffer std::endl;}else if (size 0){std::cout client quit std::endl;close(fd);DelEvent(fd); // 将fd从epoll中删除}else{std::cerr recv error std::endl;close(fd);DelEvent(fd);}}}}private:void DelEvent(int sock){epoll_ctl(_epfd, EPOLL_CTL_DEL, sock, nullptr);}epoll服务器测试 #include EpollServer.hpp
#include stringint main(int argc, char* argv[])
{if (argc ! 2){std::cout Usage: ./EpollServer port std::endl;exit(1);}int port atoi(argv[1]);EpollServer* svr new EpollServer(port);svr-InitEpollServer();svr-Run();return 0;
}因为我们在调用epoll_wait函数时将timeout的值设为了-1因此服务器运行之后如果没有读事件就绪那么就会阻塞等待。
5. epoll的优点
接口使用方便虽然拆分成了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要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使用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每次循环都需要进行拷贝。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当中epoll_wait返回之后直接访问就绪队列就知道哪些文件描述符就绪这样即使文件描述符很多效率也不会受影响。没有数量限制文件描述符数目无上限。
注意
有人说epoll中使用了内存映射机制内核直接将底层就绪队列通过mmap的方式映射到用户态此时用户就可以直接读取到内核中就绪队列当中的数据避免了内存拷贝的额外性能开销。这种说法是错误的实际操作系统并没有做任何映射机制因为操作系统是不相信任何人的操作系统不会让用户进程直接访问到内核的数据的用户只能通过系统调用来获取内核的数据。因此用户要获取内核当中的数据势必还是需要将内核的数据拷贝到用户空间。
6. epoll的工作方式
epoll有两种工作方式分别是水平触发模式和边缘触发工作模式。 水平触发LT Level Triggered 只要底层有事件就绪epoll就会一直通知用户。
epoll默认状态下就是LT工作模式
由于在LT工作模式下只要底层有事件就绪就会一直通知用户因此当epoll检测到底层读事件就绪时可以不立即进行处理或者只处理一部分因为只要底层数据没有处理完下一次epoll还会通知用户事件就绪。select和poll的模式其实就是LT模型支持阻塞读写和非阻塞读写。 边缘触发ET Edge Triggered 只有底层就绪事件数量 由无到有 或者 由有到多 的时候epoll才会通知用户。
如果要将epoll改为ET工作模式则需要在添加时间时设置EPOLLET选项。
由于在ET工作模式下只有底层就绪事件 由无到有 或者 由有到多 的时候才会通知用户所以当epoll检测到底层读事件就绪的时候必须立即进行处理而且必须全部处理完毕因为有可能此后底层再也没有事件就绪那么epoll就再也不好通知用户进行事件处理。ET工作模式下epoll通知用户的次数比LT少因此ET的性能一般比LT性能跟高Nginx就是默认采用ET模式使用epoll的。只支持非阻塞的读写。 ET工作模式下应该如何进行读写 因为在ET工作模式下只有底层就绪事件由无到有或者由有到多时才会通知用户这就倒逼用户当读事件就绪时必须一次性将数据全部读取完毕当写事件就绪时就必须一次性将发送缓冲区写满否则可能再也没有机会进行读写了。
因此读数据时必须循环调用recv函数进行读取写数据时必须循环调用send函数进行写入。
当底层读事件就绪时循环调用recv函数进行读取直到某次调用recv函数时实际读取到的字节数小于期望读取的字节数则说明本次底层数据已经读取完毕了。但有可能最后一次调用recv读取时刚好实际读取的字节数和期望读取的字节数相等但此时底层数据恰好读取完毕如果我们再调用recv函数进行读取那么recv就会因为没有数据而被阻塞住。而这里的阻塞是非常严重的就比如我们这里写的服务器都是单进程的服务器如果recv被阻塞住并且此后该数据再也不就绪那么就相当于我们的服务器挂掉了因此在ET模式下循环调用recv函数进行读取时必须将文件描述符设置为非阻塞状态。调用send函数写数据时也是同样的道理需要循环调用send函数进行数据的写入并且必须将对应的文件描述符设置为非阻塞状态。
注意ET工作模式下recv和send操作的文件描述符必须设置为非阻塞状态这是必须的 LT模式与ET模式对比 在ET模式下一个文件描述符就绪之后用户不会反复收到通知看起来比LT更高效但是如果在LT模式下能够做到每次都将就绪的文件描述符进行处理不让操作系统反复通知用户的话其实LT和ET性能也是一样的。此外ET模式的编程难度更高。
7. epoll的使用场景
epoll的高性能是有特定的场景的如果场景选择不合适epoll的性能可能适得其反。
对于多连接且多连接中只有一部分连接活跃时比较适合使用epoll。
如果只是系统内部服务器和服务器之间进行通信只有少数的几个连接这种情况下使用epoll就并不合适具体要根据需求和场景特定来决定使用哪种IO模型。
