select poll epoll Linux高併發網絡編程模型
0 發展歷程html
同步阻塞迭代模型-->多進程併發模型-->多線程併發模型-->select-->poll-->epoll-->...node
1 同步阻塞迭代模型linux
bind(srvfd);
listen(srvfd);
for(;;)
{
clifd = accept(srvfd,...); //開始接受客戶端來的鏈接
read(clifd,buf,...); //從客戶端讀取數據
dosomthingonbuf(buf);
write(clifd,buf)； //發送數據到客戶端
}
缺點：ios
1.若是沒有客戶端的鏈接請求，進程會阻塞在accept系統調用處，程序不能執行其餘任何操做。系統調用使得程序從用戶態陷入內核態 -- 程序員的自我修養 程序員
2.在與客戶端創建好一條鏈路後，經過read系統調用從客戶端接受數據，而客戶端合適發送數據過來是不可控的。若是客戶端遲遲不發生數據過來，則程序一樣會阻塞在read調用，此時，若是另外的客戶端來嘗試鏈接時，都會失敗。編程
3.一樣，write系統調用也會使得程序出現阻塞(例如：客戶端接受數據異常緩慢，致使寫緩衝區滿，數據遲遲發送不出)。數組
2 多進程併發模型服務器
bind(srvfd);
listen(srvfd);
for(;;){
clifd = accept(srvfd,...); //開始接受客戶端來的鏈接
ret = fork(); //建立子進程
switch( ret )
{
case -1 :
do_err_handler();
break;
case 0: // 子進程
client_handler(clifd);
break ;
default : // 父進程
close(clifd);
continue ;
}
}
void client_handler(clifd)
{
read(clifd,buf,...); //從客戶端讀取數據
dosomthingonbuf(buf);
write(clifd,buf)； //發送數據到客戶端
}
優勢：經過多進程，解決了同步阻塞問題。數據結構
缺點：每個客戶端鏈接開啓fork一個進程，即便linux中引入了寫實拷貝機制，下降了fork一個子進程的消耗，但若客戶端鏈接較大，則系統依然將不堪負重。 多線程
3 多線程併發模型
void *thread_callback( void *args ) //線程回調函數
{
int clifd = *(int *)args ;
client_handler(clifd);
}
void client_handler(clifd)
{
read(clifd,buf,...); //從客戶端讀取數據
dosomthingonbuf(buf);
write(clifd,buf); //發送數據到客戶端
}
bind(srvfd);
listen(srvfd);
for(;;)
{
clifd = accept();
pthread_create(...,thread_callback,&clifd);//建立新線程並綁定回調函數、文件描述符
}
多線程的實現方式：
（1）按需生成(來一個鏈接生成一個線程)
（2）線程池(預先生成不少線程)
（3）Leader follower（LF）
服務端分爲主線程和工做線程，主線程負責accept()鏈接，而工做線程負責處理業務邏輯和流的讀取等。
所以，即便在工做線程阻塞的狀況下，也只是阻塞在線程範圍內，對繼續接受新的客戶端鏈接不會有影響。
經過線程池的引入能夠避免頻繁的建立、銷燬線程，能在很大程序上提高性能。
但無論如何實現，多線程模型先天具備缺點。
缺點：
1.穩定性相對較差。一個線程的崩潰會致使整個程序崩潰。
2.臨界資源的訪問控制，在加大程序複雜性的同時，鎖機制的引入會是嚴重下降程序的性能、死鎖等狀況。
4 select
bind(listenfd);
listen(listenfd);
FD_ZERO(&allset); /*初始清空、並添加綁定文件描述符*/
FD_SET(listenfd, &allset);
for(;;)
{
select(...);
if (FD_ISSET(listenfd, &rset))
{ /*有新的客戶端鏈接到來*/
clifd = accept();
cliarray[] = clifd; /*保存新的鏈接套接字*/
FD_SET(clifd, &allset); /*將新的描述符加入監聽數組中*/
}
for(;;)
{ /*這個循環檢查全部已經鏈接的客戶端是否有數據可讀寫*/
fd = cliarray[i];
if (FD_ISSET(fd , &rset))
dosomething();
}
}
對於多進程模型和多線程模型，每一個進程/線程只能處理一路IO，在服務器併發數較高的狀況下，過多的進程/線程會使得服務器性能降低。
經過多路IO複用，能使得一個進程同時處理多路IO，提高服務器吞吐量。
在Linux支持epoll模型以前，都使用select/poll模型來實現IO多路複用。
select IO多路複用的缺點：
1.單進程可以監視的文件描述符數量存在最大限制( __FD_SETSIZE 1024)，能夠更改數量，因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；
2.內核態 / 用戶態內存拷貝問題，select須要複製大量的句柄數據結構，產生巨大的開銷；
3.select返回整個句柄數組，應用程序需遍歷才能發現哪些句柄發生了事件；
4.select水平觸發方式是，應用程序若是沒有完成對一個已經就緒文件描述符進行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，即重複。
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。
5 poll
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，但其它selec的t缺點依然存在。
6 epoll
epoll，select/poll調用分紅3個部分去實現：
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對象中添加鏈接的套接字
3.調用epoll_wait收集發生的所監聽事件的鏈接
所以，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所有鏈接的句柄數據，內核也不須要去遍歷所有的鏈接。
Linux內核針對3部分具體的epoll機制實現思路：
首先，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:
struct eventpoll{
....
/*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*/
struct rb_root rbr;
/*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*/
struct list_head rdlist;
....
};
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：
struct epitem{
struct rb_node rbn; //紅黑樹節點
struct list_head rdllink; //雙向鏈表節點
struct epoll_filefd ffd; //事件句柄信息
struct eventpoll *ep; //指向其所屬的eventpoll對象
struct epoll_event event; //期待發生的事件類型
}
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。
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。
總結來講：epoll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。
epoll編程實例
//
// 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;
}
7 觸發方式
LT（Level_triggered 水平觸發 ）：是epoll缺省的工做方式，而且同時支持block和no-block socket.在這種作法中，內核告訴你一個文件描述符是否就緒了，而後你能夠對這個就緒的fd進行IO操做。若是你不做任何操做，內核仍是會繼續通知你的，直至變爲未就緒狀態，也就是epoll_wait()會通知處理程序去讀寫。若是此次沒有把數據一次性所有讀寫完(如讀寫緩衝區過小)，那麼下次調用 epoll_wait()時，它還會通知你在上次沒讀寫完的文件描述符上繼續讀寫因此，這種模式編程出錯誤可能性要小一點。傳統的select/poll都是隻有這種觸發方式。 ET （Edge_triggered邊緣觸發 ）：是高速工做方式，只支持no-block socket。在這種模式下，當描述符從未就緒變爲就緒時，內核經過epoll_wait()通知處理程序去讀寫,若是此次沒有把數據所有讀寫完(如讀寫緩衝區過小)，那麼下次調用epoll_wait()時，它不會通知你，而後它會假設你知道文件描述符已經就緒，而且不會再爲那個文件描述符發送更多的就緒通知，也就是它只會通知你一次，直到該文件描述符上出現第二次可讀寫事件纔會通知你。
- 1. select,poll,epoll
- 2. select，poll，epoll
- 3. linux epoll，poll，select
- 4. select、poll、epoll等
- 5. 網絡-select/poll/epoll詳解
- 6. select,poll和epoll
- 7. select&epoll&poll
- 8. 多路轉接I/O select/poll/epoll高併發模型詳解
- 9. select、poll和epoll
- 10. epoll,select,poll
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