Linux Epoll

epoll精髓

http://www.cnblogs.com/OnlyXP/archive/2007/08/10/851222.html

在linux的网络编程中,很长的时间都在使用select来做事件触发。在linux新的内核中,有了一种替换它的机制,就是epoll。
相比于select,epoll最大的好处在于它不会随着监听fd数目的增长而降低效率。因为在内核中的select实现中,它是采用轮询来处理的,轮询的fd数目越多,自然耗时越多。并且,在linux/posix_types.h头文件有这样的声明:
#define __FD_SETSIZE 1024
表示select最多同时监听1024个fd,当然,可以通过修改头文件再重编译内核来扩大这个数目,但这似乎并不治本。

epoll的接口非常简单,一共就三个函数:

epoll_create

1. int epoll_create(int size);
创建一个epoll的句柄,size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。这个参数不同于select()中的第一个参数,给出最大监听的fd+1的值。需要注意的是,当创建好epoll句柄后,它就是会占用一个fd值,在linux下如果查看/proc/进程id/fd/,是能够看到这个fd的,所以在使用完epoll后,必须调用close()关闭,否则可能导致fd被耗尽。

epoll_ctl

2. int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
epoll的事件注册函数,它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件,而是在这里先注册要监听的事件类型。

  • 第一个参数是epoll_create()的返回值,
  • 第二个参数表示动作,用三个宏来表示:

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;

  • 第三个参数是需要监听的fd,第四个参数是告诉内核需要监听什么事,struct epoll_event结构如下:

struct epoll_event {
__uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};

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的话,需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里

epoll_wait

3. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
等待事件的产生,类似于select()调用。参数events用来从内核得到事件的集合,maxevents告之内核这个events有多大,这个maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size,参数timeout是超时时间(毫秒,0会立即返回,-1将不确定,也有说法说是永久阻塞)。该函数返回需要处理的事件数目,如返回0表示已超时。


ET和LT的具体描述

从man手册中,得到ET和LT的具体描述如下

EPOLL事件有两种模型:

  • Edge Triggered (ET)
  • Level Triggered (LT)

假如有这样一个例子:
1. 我们已经把一个用来从管道中读取数据的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符
2. 这个时候从管道的另一端被写入了2KB的数据
3. 调用epoll_wait(2),并且它会返回RFD,说明它已经准备好读取操作
4. 然后我们读取了1KB的数据
5. 调用epoll_wait(2)……

Edge Triggered 工作模式

如果我们在第1步将RFD添加到epoll描述符的时候使用了EPOLLET标志,那么在第5步调用epoll_wait(2)之后将有可能会挂起,因为剩余的数据还存在于文件的输入缓冲区内,而且数据发出端还在等待一个针对已经发出数据的反馈信息。只有在监视的文件句柄上发生了某个事件的时候 ET 工作模式才会汇报事件。因此在第5步的时候,调用者可能会放弃等待仍在存在于文件输入缓冲区内的剩余数据。在上面的例子中,会有一个事件产生在RFD句柄上,因为在第2步执行了一个写操作,然后,事件将会在第3步被销毁。因为第4步的读取操作没有读空文件输入缓冲区内的数据,因此我们在第5步调用 epoll_wait(2)完成后,是否挂起是不确定的。epoll工作在ET模式的时候,必须使用非阻塞套接口,以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。
最好以下面的方式调用ET模式的epoll接口,在后面会介绍避免可能的缺陷。

  • i 基于非阻塞文件句柄
  • ii 只有当read(2)或者write(2)返回EAGAIN时才需要挂起,等待。但这并不是说每次read()时都需要循环读,直到读到产生一个EAGAIN才认为此次事件处理完成,当read()返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时,就可以确定此时缓冲中已没有数据了,也就可以认为此事读事件已处理完成。

Level Triggered 工作模式

相反的,以LT方式调用epoll接口的时候,它就相当于一个速度比较快的poll(2),并且无论后面的数据是否被使用,因此他们具有同样的职能。因为即使使用ET模式的epoll,在收到多个chunk的数据的时候仍然会产生多个事件。调用者可以设定EPOLLONESHOT标志,在 epoll_wait(2)收到事件后epoll会与事件关联的文件句柄从epoll描述符中禁止掉。因此当EPOLLONESHOT设定后,使用带有 EPOLL_CTL_MOD标志的epoll_ctl(2)处理文件句柄就成为调用者必须作的事情。

然后详细解释ET, LT

  • LT(level triggered)是缺省的工作方式

LT(level triggered)是缺省的工作方式,并且同时支持block和no-block socket.在这种做法中,内核告诉你一个文件描述符是否就绪了,然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作,内核还是会继续通知你的,所以,这种模式编程出错误可能性要小一点。传统的select/poll都是这种模型的代表.

  • ET(edge-triggered)是高速工作方式

ET(edge-triggered)是高速工作方式,只支持no-block socket。在这种模式下,当描述符从未就绪变为就绪时,内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪,并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知,直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了(比如,你在发送,接收或者接收请求,或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK 错误)。但是请注意,如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪),内核不会发送更多的通知(only once),不过在TCP协议中,ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark确认(这句话不理解)。

在许多测试中我们会看到如果没有大量的idle -connection或者dead-connection,epoll的效率并不会比select/poll高很多,但是当我们遇到大量的idle- connection(例如WAN环境中存在大量的慢速连接),就会发现epoll的效率大大高于select/poll。(未测试)

产生了一个EPOLLIN事件后

另外,当使用epoll的ET模型来工作时,当产生了一个EPOLLIN事件后,
读数据的时候需要考虑的是当recv()返回的大小如果等于请求的大小,那么很有可能是缓冲区还有数据未读完,也意味着该次事件还没有处理完,所以还需要再次读取:

while(rs)
{
  buflen = recv(activeevents[i].data.fd, buf, sizeof(buf), 0);
  if(buflen < 0)
  {
    // 由于是非阻塞的模式,所以当errno为EAGAIN时,表示当前缓冲区已无数据可读
    // 在这里就当作是该次事件已处理处.
    if(errno == EAGAIN)
     break;
    else
     return;
   }
   else if(buflen == 0)
   {
     // 这里表示对端的socket已正常关闭.
   }
   if(buflen == sizeof(buf)
     rs = 1;   // 需要再次读取
   else
     rs = 0;
}

当发送端流量大于接收端的流量

还有,假如发送端流量大于接收端的流量(意思是epoll所在的程序读比转发的socket要快),由于是非阻塞的socket,那么send()函数虽然返回,但实际缓冲区的数据并未真正发给接收端,这样不断的读和发,当缓冲区满后会产生EAGAIN错误(参考man send),同时,不理会这次请求发送的数据.所以,需要封装socket_send()的函数用来处理这种情况,该函数会尽量将数据写完再返回,返回-1表示出错。在socket_send()内部,当写缓冲已满(send()返回-1,且errno为EAGAIN),那么会等待后再重试.这种方式并不很完美,在理论上可能会长时间的阻塞在socket_send()内部,但暂没有更好的办法.

ssize_t socket_send(int sockfd, const char* buffer, size_t buflen)
{
  ssize_t tmp;
  size_t total = buflen;
  const char *p = buffer;
 
  while(1)
  {
    tmp = send(sockfd, p, total, 0);
    if(tmp < 0)
    {
      // 当send收到信号时,可以继续写,但这里返回-1.
      if(errno == EINTR)
        return -1;
 
      // 当socket是非阻塞时,如返回此错误,表示写缓冲队列已满,
      // 在这里做延时后再重试.
      if(errno == EAGAIN)
      {
        usleep(1000);
        continue;
      }
 
      return -1;
    }
 
    if((size_t)tmp == total)
      return buflen;
 
    total -= tmp;
    p += tmp;
  }
 
  return tmp;
}

epoll学习笔记

http://www.cppblog.com/converse/archive/2008/04/29/48482.html

epoll有两种模式,Edge Triggered(简称ET) 和 Level Triggered(简称LT).在采用这两种模式时要注意的是,如果采用ET模式,那么仅当状态发生变化时才会通知,而采用LT模式类似于原来的select/poll操作,只要还有没有处理的事件就会一直通知.

以代码来说明问题:
首先给出server的代码,需要说明的是每次accept的连接,加入可读集的时候采用的都是ET模式,而且接收缓冲区是5字节的,也就是每次只接收5字节的数据:

#include <iostream>
#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>
 
using namespace std;
 
#define MAXLINE 5
#define OPEN_MAX 100
#define LISTENQ 20
#define SERV_PORT 5000
#define INFTIM 1000
 
void setnonblocking(int sock)
{
    int opts;
    opts=fcntl(sock,F_GETFL);
    if(opts<0)
    {
        perror("fcntl(sock,GETFL)");
        exit(1);
    }
    opts = opts|O_NONBLOCK;
    if(fcntl(sock,F_SETFL,opts)<0)
    {
        perror("fcntl(sock,SETFL,opts)");
        exit(1);
    }   
}
 
int main()
{
    int i, maxi, listenfd, connfd, sockfd,epfd,nfds;
    ssize_t n;
    char line[MAXLINE];
    socklen_t clilen;
    //声明epoll_event结构体的变量,ev用于注册事件,数组用于回传要处理的事件
    struct epoll_event ev,events[20];
    //生成用于处理accept的epoll专用的文件描述符
    epfd=epoll_create(256);
    struct sockaddr_in clientaddr;
    struct sockaddr_in serveraddr;
    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    //把socket设置为非阻塞方式
    //setnonblocking(listenfd);
    //设置与要处理的事件相关的文件描述符
    ev.data.fd=listenfd;
    //设置要处理的事件类型
    ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
    //ev.events=EPOLLIN;
    //注册epoll事件
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);
    bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr));
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    char *local_addr="127.0.0.1";
    inet_aton(local_addr,&(serveraddr.sin_addr));//htons(SERV_PORT);
    serveraddr.sin_port=htons(SERV_PORT);
    bind(listenfd,(sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr));
    listen(listenfd, LISTENQ);
    maxi = 0;
    for ( ; ; ) {
        //等待epoll事件的发生
        nfds=epoll_wait(epfd,events,20,500);
        //处理所发生的所有事件     
        for(i=0;i<nfds;++i)
        {
            if(events[i].data.fd==listenfd)
            {
                connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen);
                if(connfd<0){
                    perror("connfd<0");
                    exit(1);
                }
                //setnonblocking(connfd);
                char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr);
                cout << "accapt a connection from " << str << endl;
                //设置用于读操作的文件描述符
                ev.data.fd=connfd;
                //设置用于注测的读操作事件
                ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
                //ev.events=EPOLLIN;
                //注册ev
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev);
            }
            else if(events[i].events&EPOLLIN)
            {
                cout << "EPOLLIN" << endl;
                if ( (sockfd = events[i].data.fd) < 0) 
                    continue;
                if ( (n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0) {
                    if (errno == ECONNRESET) {
                        close(sockfd);
                        events[i].data.fd = -1;
                    } else
                        std::cout<<"readline error"<<std::endl;
                } else if (n == 0) {
                    close(sockfd);
                    events[i].data.fd = -1;
                }
                line[n] = '\0';
                cout << "read " << line << endl;
                //设置用于写操作的文件描述符
                ev.data.fd=sockfd;
                //设置用于注测的写操作事件
                ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET;
                //修改sockfd上要处理的事件为EPOLLOUT
                //epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);
            }
            else if(events[i].events&EPOLLOUT)
            {   
                sockfd = events[i].data.fd;
                write(sockfd, line, n);
                //设置用于读操作的文件描述符
                ev.data.fd=sockfd;
                //设置用于注测的读操作事件
                ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
                //修改sockfd上要处理的事件为EPOLIN
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);
            }
        }
    }
    return 0;
}

下面给出测试所用的Perl写的client端,在client中发送10字节的数据,同时让client在发送完数据之后进入死循环, 也就是在发送完之后连接的状态不发生改变—既不再发送数据, 也不关闭连接,这样才能观察出server的状态:

#!/usr/bin/perl
 
use IO::Socket;
 
my $host = "127.0.0.1";
my $port = 5000;
 
my $socket = IO::Socket::INET->new("$host:$port") or die "create socket error $@";
my $msg_out = "1234567890";
print $socket $msg_out;
print "now send over, go to sleep\n";
 
while (1)
{
    sleep(1);
}
运行serverclient发现,server仅仅读取了5字节的数据,而client其实发送了10字节的数据,也就是说,server仅当第一次监听到了EPOLLIN事件,由于没有读取完数据,而且采用的是ET模式,状态在此之后不发生变化,因此server再也接收不到EPOLLIN事件了.
(友情提示:上面的这个测试客户端,当你关闭它的时候会再次出发IO可读事件给server,此时server就会去读取剩下的5字节数据了,但是这一事件与前面描述的ET性质并不矛盾.)
 
如果我们把client改为这样:
#!/usr/bin/perl
 
use IO::Socket;
 
my $host = "127.0.0.1";
my $port = 5000;
 
my $socket = IO::Socket::INET->new("$host:$port") or die "create socket error $@";
my $msg_out = "1234567890";
print $socket $msg_out;
print "now send over, go to sleep\n";
sleep(5);
print "5 second gonesend another line\n";
print $socket $msg_out;
 
while (1)
{
    sleep(1);
}

可以发现,在server接收完5字节的数据之后一直监听不到client的事件,而当client休眠5秒之后重新发送数据,server再次监听到了变化,只不过因为只是读取了5个字节,仍然有10个字节的数据(client第二次发送的数据)没有接收完.

如果上面的实验中,对accept的socket都采用的是LT模式,那么只要还有数据留在buffer中,server就会继续得到通知,读者可以自行改动代码进行实验.

基于这两个实验,可以得出这样的结论:ET模式仅当状态发生变化的时候才获得通知,这里所谓的状态的变化并不包括缓冲区中还有未处理的数据,也就是说,如果要采用ET模式,需要一直read/write直到出错为止,很多人反映为什么采用ET模式只接收了一部分数据就再也得不到通知了,大多因为这样;而LT模式是只要有数据没有处理就会一直通知下去的.

补充说明一下这里一直强调的"状态变化"是什么:

1)对于监听可读事件时,如果是socket是监听socket,那么当有新的主动连接到来为状态发生变化;对一般的socket而言,协议栈中相应的缓 冲区有新的数据为状态发生变化.但是,如果在一个时间同时接收了N个连接(N>1),但是监听socket只accept了一个连接,那么其它未 accept的连接将不会在ET模式下给监听socket发出通知,此时状态不发生变化;对于一般的socket,就如例子中而言,如果对应的缓冲区本身 已经有了N字节的数据,而只取出了小于N字节的数据,那么残存的数据不会造成状态发生变化.

2)对于监听可写事件时,同理可推,不再详述.

而不论是监听可读还是可写,对方关闭socket连接都将造成状态发生变化,比如在例子中,如果强行中断client脚本,也就是主动中断了socket连接,那么都将造成server端发生状态的变化,从而server得到通知,将已经在本方缓冲区中的数据读出.

把前面的描述可以总结如下:仅当对方的动作(发出数据,关闭连接等)造成的事件才能导致状态发生变化,而本方协议栈中已经处理的事件(包括接收了对方的数 据,接收了对方的主动连接请求)并不是造成状态发生变化的必要条件,状态变化一定是对方造成的.所以在ET模式下的,必须一直处理到出错或者完全处理完 毕,才能进行下一个动作,否则可能会发生错误.

另外,从这个例子中,也可以阐述一些基本的网络编程概念.首先,连接的两端中,一端发送成功并不代表着对方上层应用程序接收成功, 就拿上面的client测试程序来说,10字节的数据已经发送成功,但是上层的server并没有调用read读取数据,因此发送成功仅仅说明了数据被对方的协议栈接收存放在了相应的buffer中,而上层的应用程序是否接收了这部分数据不得而知;同样的,读取数据时也只代表着本方协议栈的对应buffer中有数据可读,而此时时候在对端是否在发送数据也不得而知.

Epoll工作模式详解

http://www.vimer.cn/2009/10/epoll%E5%B7%A5%E4%BD%9C%E6%A8%A1%E5%BC%8F%E8%AF%A6%E8%A7%A3.html

我们目前的网络模型大都是epoll的,因为epoll模型会比select模型性能高很多, 尤其在大连接数的情况下,作为后台开发人员需要理解其中的原因。

select/epoll的特点

  • select的特点:

select 选择句柄的时候,是遍历所有句柄,也就是说句柄有事件响应时,select需要遍历所有句柄才能获取到哪些句柄有事件通知,因此效率是非常低。但是如果连接很少的情况下, select和epoll的LT触发模式相比, 性能上差别不大。
这里要多说一句,select支持的句柄数是有限制的, 同时只支持1024个,这个是句柄集合限制的,如果超过这个限制,很可能导致溢出,而且非常不容易发现问题, TAF就出现过这个问题, 调试了n天,才发现:)当然可以通过修改linux的socket内核调整这个参数。

  • epoll的特点:

epoll对于句柄事件的选择不是遍历的,是事件响应的,就是句柄上事件来就马上选择出来,不需要遍历整个句柄链表,因此效率非常高,内核将句柄用红黑树保存的。
对于epoll而言还有ET和LT的区别,LT表示水平触发,ET表示边缘触发,两者在性能以及代码实现上差别也是非常大的。

epoll的LT和ET的区别

LT:水平触发,效率会低于ET触发,尤其在大并发,大流量的情况下。但是LT对代码编写要求比较低,不容易出现问题。LT模式服务编写上的表现是:只要有数据没有被获取,内核就不断通知你,因此不用担心事件丢失的情况。

ET:边缘触发,效率非常高,在并发,大流量的情况下,会比LT少很多epoll的系统调用,因此效率高。但是对编程要求高,需要细致的处理每个请求,否则容易发生丢失事件的情况。
下面举一个列子来说明LT和ET的区别(都是非阻塞模式,阻塞就不说了,效率太低):
采用LT模式下, 如果accept调用有返回就可以马上建立当前这个连接了,再epoll_wait等待下次通知,和select一样。
但是对于ET而言,如果accpet调用有返回,除了建立当前这个连接外,不能马上就epoll_wait还需要继续循环accpet,直到返回-1,且errno==EAGAIN,TAF里面的示例代码:

if(ev.events & EPOLLIN)
{
    do
    {
        struct sockaddr_in stSockAddr;
        socklen_t iSockAddrSize = sizeof(sockaddr_in);
        TC_Socket cs;
        cs.setOwner(false);
        //接收连接
        TC_Socket s;
        s.init(fd, false, AF_INET);
        int iRetCode = s.accept(cs, (struct sockaddr *) &stSockAddr, iSockAddrSize);
        if (iRetCode > 0)
        {
            ...建立连接
        }
        else
        {
            //直到发生EAGAIN才不继续accept
            if(errno == EAGAIN)
            {
                break;
            }
        }
    }while(true);
}

同样,recv/send等函数, 都需要到errno==EAGAIN
从本质上讲:与LT相比,ET模型是通过减少系统调用来达到提高并行效率的。
epoll ET详解
ET模型的逻辑:内核的读buffer有内核态主动变化时,内核会通知你, 无需再去mod。写事件是给用户使用的,最开始add之后,内核都不会通知你了,你可以强制写数据(直到EAGAIN或者实际字节数小于 需要写的字节数),当然你可以主动mod OUT,此时如果句柄可以写了(send buffer有空间),内核就通知你。
这里内核态主动的意思是:内核从网络接收了数据放入了读buffer(会通知用户IN事件,即用户可以recv数据)
并且这种通知只会通知一次,如果这次处理(recv)没有到刚才说的两种情况(EAGIN或者实际字节数小于 需要读写的字节数),则该事件会被丢弃,直到下次buffer发生变化。
与LT的差别就在这里体现,LT在这种情况下,事件不会丢弃,而是只要读buffer里面有数据可以让用户读,则不断的通知你。
另外对于ET而言,当然也不一定非send/recv到前面所述的结束条件才结束,用户可以自己随时控制,即用户可以在自己认为合适的时候去设置IN和OUT事件:
1 如果用户主动epoll_mod OUT事件,此时只要该句柄可以发送数据(发送buffer不满),则epoll
_wait就会响应(有时候采用该机制通知epoll_wai醒过来)。
2 如果用户主动epoll_mod IN事件,只要该句柄还有数据可以读,则epoll_wait会响应。
这种逻辑在普通的服务里面都不需要,可能在某些特殊的情况需要。 但是请注意,如果每次调用的时候都去epoll mod将显著降低效率,已经吃过几次亏了!
因此采用et写服务框架的时候,最简单的处理就是:
建立连接的时候epoll_add IN和OUT事件, 后面就不需要管了

每次read/write的时候,到两种情况下结束:

  • 1 发生EAGAIN
  • 2 read/write的实际字节数小于 需要读写的字节数

对于第二点需要注意两点:

  • A:如果是UDP服务,处理就不完全是这样,必须要recv到发生EAGAIN为止,否则就丢失事件了

因为UDP和TCP不同,是有边界的,每次接收一定是一个完整的UDP包,当然recv的buffer需要至少大于一个UDP包的大小
随便再说一下,一个UDP包到底应该多大?
对于internet,由于MTU的限制,UDP包的大小不要超过576个字节,否则容易被分包,对于公司的IDC环境,建议不要超过1472,否则也比较容易分包。

  • B 如果发送方发送完数据以后,就close连接,这个时候如果recv到数据是实际字节数小于读写字节数,根据开始所述就认为到EAGIN了从而直接返回,等待下一次事件,这样是有问题的,close事件丢失了!

因此如果依赖这种关闭逻辑的服务,必须接收数据到EAGIN为止,例如lb。