高併發網絡編程之epoll詳解（轉載）

高併發網絡編程之epoll詳解（轉載）

轉載自：https://blog.csdn.net/shenya1314/article/details/73691088

在linux 沒有實現epoll事件驅動機制以前，咱們通常選擇用select或者poll等IO多路複用的方法來實現併發服務程序。在大數據、高併發、集羣等一些名詞唱得火熱之年代，select和poll的用武之地愈來愈有限，風頭已經被epoll佔盡。

本文便來介紹epoll的實現機制，並附帶講解一下select和poll。經過對比其不一樣的實現機制，真正理解爲什麼epoll能實現高併發。

select()和poll() IO多路複用模型

select的缺點：

1. 單個進程可以監視的文件描述符的數量存在最大限制，一般是1024，固然能夠更改數量，但因爲select採用輪詢的方式掃描文件描述符，文件描述符數量越多，性能越差；(在linux內核頭文件中，有這樣的定義：#define __FD_SETSIZE    1024)
2. 內核 / 用戶空間內存拷貝問題，select須要複製大量的句柄數據結構，產生巨大的開銷；
3. select返回的是含有整個句柄的數組，應用程序須要遍歷整個數組才能發現哪些句柄發生了事件；
4. select的觸發方式是水平觸發，應用程序若是沒有完成對一個已經就緒的文件描述符進行IO操做，那麼以後每次select調用仍是會將這些文件描述符通知進程。

相比select模型，poll使用鏈表保存文件描述符，所以沒有了監視文件數量的限制，但其餘三個缺點依然存在。

拿select模型爲例，假設咱們的服務器須要支持100萬的併發鏈接，則在__FD_SETSIZE 爲1024的狀況下，則咱們至少須要開闢1k個進程才能實現100萬的併發鏈接。除了進程間上下文切換的時間消耗外，從內核/用戶空間大量的無腦內存拷貝、數組輪詢等，是系統難以承受的。所以，基於select模型的服務器程序，要達到10萬級別的併發訪問，是一個很難完成的任務。

所以，該epoll上場了。

epoll IO多路複用模型實現機制

因爲epoll的實現機制與select/poll機制徹底不一樣，上面所說的 select的缺點在epoll上不復存在。

設想一下以下場景：有100萬個客戶端同時與一個服務器進程保持着TCP鏈接。而每一時刻，一般只有幾百上千個TCP鏈接是活躍的(事實上大部分場景都是這種狀況)。如何實現這樣的高併發？

在select/poll時代，服務器進程每次都把這100萬個鏈接告訴操做系統(從用戶態複製句柄數據結構到內核態)，讓操做系統內核去查詢這些套接字上是否有事件發生，輪詢完後，再將句柄數據複製到用戶態，讓服務器應用程序輪詢處理已發生的網絡事件，這一過程資源消耗較大，所以，select/poll通常只能處理幾千的併發鏈接。

epoll的設計和實現與select徹底不一樣。epoll經過在Linux內核中申請一個簡易的文件系統(文件系統通常用什麼數據結構實現？B+樹)。把原先的select/poll調用分紅了3個部分：

1）調用epoll_create()創建一個epoll對象(在epoll文件系統中爲這個句柄對象分配資源)

2）調用epoll_ctl向epoll對象中添加這100萬個鏈接的套接字

3）調用epoll_wait收集發生的事件的鏈接

如此一來，要實現上面說是的場景，只須要在進程啓動時創建一個epoll對象，而後在須要的時候向這個epoll對象中添加或者刪除鏈接。同時，epoll_wait的效率也很是高，由於調用epoll_wait時，並無一股腦的向操做系統複製這100萬個鏈接的句柄數據，內核也不須要去遍歷所有的鏈接。

下面來看看Linux內核具體的epoll機制實現思路。

當某一進程調用epoll_create方法時，Linux內核會建立一個eventpoll結構體，這個結構體中有兩個成員與epoll的使用方式密切相關。eventpoll結構體以下所示：

1.  
   struct eventpoll{
2.  
   ....
3.  
   /*紅黑樹的根節點，這顆樹中存儲着全部添加到epoll中的須要監控的事件*/
4.  
   struct rb_root rbr;
5.  
   /*雙鏈表中則存放着將要經過epoll_wait返回給用戶的知足條件的事件*/
6.  
   struct list_head rdlist;
7.  
   ....
8.  
   };

每個epoll對象都有一個獨立的eventpoll結構體，用於存放經過epoll_ctl方法向epoll對象中添加進來的事件。這些事件都會掛載在紅黑樹中，如此，重複添加的事件就能夠經過紅黑樹而高效的識別出來(紅黑樹的插入時間效率是lgn，其中n爲樹的高度)。

而全部添加到epoll中的事件都會與設備(網卡)驅動程序創建回調關係，也就是說，當相應的事件發生時會調用這個回調方法。這個回調方法在內核中叫ep_poll_callback,它會將發生的事件添加到rdlist雙鏈表中。

在epoll中，對於每個事件，都會創建一個epitem結構體，以下所示：

1.  
   struct epitem{
2.  
   struct rb_node rbn;//紅黑樹節點
3.  
   struct list_head rdllink;//雙向鏈表節點
4.  
   struct epoll_filefd ffd; //事件句柄信息
5.  
   struct eventpoll *ep; //指向其所屬的eventpoll對象
6.  
   struct epoll_event event; //期待發生的事件類型
7.  
   }

當調用epoll_wait檢查是否有事件發生時，只須要檢查eventpoll對象中的rdlist雙鏈表中是否有epitem元素便可。若是rdlist不爲空，則把發生的事件複製到用戶態，同時將事件數量返回給用戶。

epoll數據結構示意圖

從上面的講解可知：經過紅黑樹和雙鏈表數據結構，並結合回調機制，造就了epoll的高效。

OK，講解完了Epoll的機理，咱們便能很容易掌握epoll的用法了。一句話描述就是：三步曲。

第一步：epoll_create()系統調用。此調用返回一個句柄，以後全部的使用都依靠這個句柄來標識。

第二步：epoll_ctl()系統調用。經過此調用向epoll對象中添加、刪除、修改感興趣的事件，返回0標識成功，返回-1表示失敗。

第三部：epoll_wait()系統調用。經過此調用收集收集在epoll監控中已經發生的事件。

最後，附上一個epoll編程實例。(做者爲sparkliang)

 

// // a simple echo server using epoll in linux // // 2009-11-05 // 2013-03-22:修改了幾個問題，1是/n格式問題，2是去掉了原代碼不當心加上的ET模式;// 原本只是簡單的示意程序，決定仍是加上 recv/send時的buffer偏移// by sparkling // #include <sys/socket.h> #include <sys/epoll.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <errno.h> #include <iostream> 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; }