使用 kqueue 在 FreeBSD 上開發高性能應用服務器

概述

kqueue 是 FreeBSD 上的一種的多路複用機制。它是針對傳統的 select/poll 處理大量的文件描述符性能較低效而開發出來的。註冊一批描述符到 kqueue 之後，當其中的描述符狀態發生變化時，kqueue 將一次性通知應用程序哪些描述符可讀、可寫或出錯了。

kqueue 支持多種類型的文件描述符，包括 socket、信號、定時器、AIO、VNODE、PIPE。本文重點討論 kqueue 如何控制 socket 描述符。其中 kqueue 對 AIO，POSIX 的異步 IO 系列的支持，是異步行爲完成通知機制之一。另外兩種常見的機制是異步信號和線程例程。用 kqueue 的明顯好處是完成事件的處理線程能夠靈活地指定。

本文重點在於 kqueue 技術自己。一些基礎的知識點，好比 socket API 和經常使用的 Unix 數據結構將不做講解，有須要的讀者請先閱讀UNIX 網絡編程方面書籍。

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kqueue APIs

kqueue 提供 kqueue()、kevent() 兩個系統調用和 struct kevent 結構。

kqueue 主要功能

經過 kevent() 提供三個主要的行爲功能。在下面小節中將會用到這兩個主要功能。

• 註冊 / 反註冊

  注意 kevent() 中的 neventlist 這個輸入參數，當將其設爲 0，且傳入合法的 changelist 和 nchangelist，就會將 changelist 中的事件註冊到 kqueue 中。

  當關閉某文件描述符時，與之關聯的事件會被自動地從 kqueue 移除。

• 容許 / 禁止過濾器事件

  經過 flags EV_ENABLE 和 EV_DISABLE 使過濾器事件有效或無效。這個功能在利用 EVFILT_WRITE 發送數據時很是有用。

• 等待事件通知

  將 nchangelist 設置成 0，固然要傳入其它合法的參數，當 kevent 非錯誤和超時返回時，在 eventlist 和 neventlist 中就保存可用事件集合。

kqueue()

int kqueue(void)

生成一個內核事件隊列，返回該隊列的文件描述索。其它 API 經過該描述符操做這個 kqueue。生成的多個 kqueue 的結構相似圖 1 所示。

圖 1. kqueue 隊列結構
 

kevent()

int kevent(int kq, const struct kevent *changelist, int nchanges, struct kevent *eventlist, int nevents, const struct timespec *timeout);

kevent 提供向內核註冊 / 反註冊事件和返回就緒事件或錯誤事件： kq: kqueue 的文件描述符。 changelist: 要註冊 / 反註冊的事件數組； nchanges: changelist 的元素個數。 eventlist: 知足條件的通知事件數組； nevents: eventlist 的元素個數。 timeout: 等待事件到來時的超時時間，0，馬上返回；NULL，一直等待；有一個具體值，等待 timespec 時間值。 返回值：可用事件的個數。

struct kevent

struct kevent { uintptr_t ident; /* 事件 ID */ short filter; /* 事件過濾器 */ u_short flags; /* 行爲標識 */ u_int fflags; /* 過濾器標識值 */ intptr_t data; /* 過濾器數據 */ void *udata; /* 應用透傳數據 */ }; 在一個 kqueue 中，{ident, filter} 肯定一個惟一的事件。

• ident

  事件的 id，實際應用中，通常設置爲文件描述符。

• filter

  能夠將 kqueue filter 看做事件。內核檢測 ident 上註冊的 filter 的狀態，狀態發生了變化，就通知應用程序。kqueue 定義了較多的 filter，本文只介紹 Socket 讀寫相關的 filter。

• EVFILT_READ

  TCP 監聽 socket，若是在完成的鏈接隊列 ( 已收三次握手最後一個 ACK) 中有數據，此事件將被通知。收到該通知的應用通常調用 accept()，且可經過 data 得到完成隊列的節點個數。 流或數據報 socket，當協議棧的 socket 層接收緩衝區有數據時，該事件會被通知，而且 data 被設置成可讀數據的字節數。

• EVFILT_WRIT

  當 socket 層的寫入緩衝區可寫入時，該事件將被通知；data 指示目前緩衝區有多少字節空閒空間。

  E

• flags
  • EV_ADD

    指示加入事件到 kqueue。

• EV_DELETE

  指示將傳入的事件從 kqueue 中移除。

• EV_ENABLE

  過濾器事件可用，註冊一個事件時，默認是可用的。

• EV_DISABLE

  過濾器事件不可用，當內部描述可讀或可寫時，將不通知應用程序。第 5 小節有這個 flag 的用法介紹。

• EV_ERROR

  一個輸出參數，當 changelist 中對應的描述符處理出錯時，將輸出這個 flag。應用程序要判斷這個 flag，不然可能出現 kevent 不斷地提示某個描述符出錯，卻沒將這個描述符從 kq 中清除。處理 EV_ERROR 相似下面的代碼： if (events[i].flags & EV_ERROR) close(events[i].ident); fflags 過濾器相關的一個輸入輸出類型標識，有時候和 data 結合使用。

• data

  過濾器相關的數據值，請看 EVFILT_READ 和 EVFILT_WRITE 描述。

• udata

  應用自定義數據，註冊的時候傳給 kernel，kernel 不會改變此數據，當有事件通知時，此數據會跟着返回給應用。

• EV_SET

  EV_SET(&kev, ident, filter, flags, fflags, data, udata);

  
  

  struct kevent 的初始化的輔助操做。

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一個服務器示例

例子實現了一個只有較簡單通訊功能的但有性能保證的服務器。在下面各個清單中只寫出關鍵性的代碼，錯誤處理的代碼未寫出，完整的代碼請參考附帶的源碼：kqueue.cpp。

• 註冊事件到 kqueue 
  
  清單 1. 註冊事件
  

  73 bool Register(int kq, int fd) 74 { 75 struct kevent changes[1]; 76 EV_SET(&changes[0], fd, EVFILT_READ, EV_ADD, 0, 0, NULL); 77 78 int ret = kevent(kq, changes, 1, NULL, 0, NULL); 81 82 return true; 83 } Register 將 fd 註冊到 kq 中。註冊的方法是經過 kevent() 將 eventlist 和 neventlist 置成 NULL 和 0 來達到的。

  
  

• 建立監聽 socket 和 kqueue，等待內核事件通知 
  
  清單 2. 建立監聽
  

  27 int main(int argc, char* argv[]) 28 { 29 listener_ = CreateListener(); 32 33 int kq = kqueue(); 34 if (!Register(kq, listener_)) 39 40 WaitEvent(kq); 41 42 return 0; 43 } 85 void WaitEvent(int kq) 86 { 87 struct kevent events[MAX_EVENT_COUNT]; 88 while (true) 89 { 90 int ret = kevent(kq, NULL, 0, events, MAX_EVENT_COUNT, NULL); 96 97 HandleEvent(kq, events, ret); 98 } 99 }

  
  

  29~40，建立監聽 socket，將監聽 socket 註冊到 kq，而後等待事件。 90，這一行就是 kevent 事件等待方法，將 changelist 和 nchangelist 分別置成 NULL 和 0，而且傳一個足夠大的 eventlist 空間給內核。當有事件過來時，kevent 返回，這時調用 HandleEvent 處理可用事件。

• struct kevent data 字段在 accept 和 recv 時的用法 
  
  清單 3. 接收數據
  

  101 void HandleEvent(int kq, struct kevent* events, int nevents) 102 { 103 for (int i = 0; i < nevents; i++) 104 { 105 int sock = events[i].ident; 106 int data = events[i].data; 107 108 if (sock == listener_) 109 Accept(kq, data); 110 else 111 Receive(sock, data); 112 } 113 } 114 115 void Accept(int kq, int connSize) 116 { 117 for (int i = 0; i < connSize; i++) 118 { 119 int client = accept(listener_, NULL, NULL); 125 126 if (!Register(kq, client)) 131 } 132 } 133 134 void Receive(int sock, int availBytes) 135 { 136 int bytes = recv(sock, buf_, availBytes, 0); 145 Enqueue(buf_, bytes); 146 }

  
  

  108~111，根據 events.ident 的類型來調用 Accept() 或 Receive()。這裏要注意的是 events[i].data。

  117~126，對於監聽 socket，data 表示鏈接完成隊列中的元素 ( 已經收到三次握手最後一個 ACK) 個數。119 行演示了這種用法，accept data 次。126 行將 accept 成功的 socket 註冊到 kq。

  136~145，對於流 socket，data 表示協議棧 socket 層的接收緩衝區可讀數據的字節數。recv 時顯示地指定接收 availBytes 字節 ( 就是 data)。這個功能點將對 recv 和 send 的性能提高有積極的做用，第 4 小節將這方面的討論。145 行表示將收到的數據入緩衝隊列。

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EVFILT_WRITE 用法

上面的例子沒有涉及寫事件的用法，這一小節簡單介紹一下經過 WRITE 事件自動地實現發送數據的方法。

kqueue 默認是水平觸發模式，當某個描述符的事件知足某種條件時，若是應用程序不處理對應的事件，kqueue 將會不斷地通知應用程序此描述符知足某種狀態了。以 EVFILT_WRITE 舉例，見圖 2。

圖 2. WRITE 通知流程
 

在某種情形下，應用程序需要禁止 kqueue 不斷地通知某個描述符的「可寫」狀態。將已註冊的 {ident, filter} 的 flags 設置成 EV_DISABLE 就達到這個目的。實現方法相似清單 4。

清單 4. 實現方法

struct kevent changes[1]; EV_SET(&changes[0], fd, EVFILT_WRITE, EV_DISABLE, 0, 0, NULL); kevent(kq, changes, 1, NULL, 0, NULL);

將上面代碼中的 EV_DISABLE替換成 EV_ENABLE表示事件是可用的。

接下來，考慮一個實際的服務器應用，請見圖 3。

圖 3. 某個服務器應用
 

邏輯處理線程將處理結果寫到發送隊列，通訊線程將其讀出並經過 kqueue EVFILT_WRITE 機制發送。兩者具體流程請見圖 4。

圖 4. 邏輯流程
 

具體的代碼相對較大，將不在這裏列出。在 Speed 庫 demos/fb_tcp_server 有這種用法的代碼例子。特別強調一下，兩個線程中 writeEnable 變量和 EVFILTE_WRITE 狀態的設置是有嚴格的順序要求的。現代編譯器優化和處理器執行指令時都有可能打亂指令順序。有一種叫內存屏障（memory barrier）的技術能夠保證程序語句的編譯和執行順序，在 Linux 內核設計與實現中介紹了這一技術。

另外，這個例子能夠作性能優化，當發送隊列爲空時，將必定長度的數據直接經過 send（）API 非阻塞地發送，未發送完的數據再寫入到發送隊列。這樣避免了大部分的數據拷貝。

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阻塞與非阻塞 IO

用過 select 和 epoll 的讀者，通常將 socket IO 設置成非阻塞模式，以提升讀寫性能的同時，避免 IO 讀寫不當心被鎖定。

爲了達到某種目的，甚至有人會經過 getsocketopt 來偷看 socket 讀緩衝區的數據大小或寫緩區

可用空間的大小。kqueue 開發人員考慮到這些現狀，在 kevent 返回時，將讀寫緩衝區的可讀字

節數或可寫空間大小告訴應用程序。基於這個特性，使用 kqueue 的應用通常不使用非阻塞 IO。每次讀時，根據 kevent 返回的可讀字節大小，將接收緩衝區中的數據一次性讀完；而發送數據時，也根據 kevent 返回的寫緩衝區可寫空間的大小，一次只發可寫空間大小的數據。

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結束語

本文介紹了 FreeBSD kqueue 這種多路複用 IO 模型的用法，重點介紹了 kqueue 對 Sockets IO 的控制和事件通知過程。有必定網絡編程基礎的程序員學習本文後，結合給出的例子就能開發出有必定性能保證的 FreeBSD 應用服務器了。

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下載

描述	名字	大小	下載方法
示例代碼	kqueue.cpp	3KB	HTTP