IO 多路复用，epoll 工作原理

谁践踏了优雅 2021-12-15 07:45 408阅读 0赞

### IO 是什么? ###

在 Linux 系统中一切皆文件，而文件指的就是一些二进制的流，这些流包括输入流和输出流，比如我们之前谈到的，进程间通信，socket 套接字，管道，read 读取数据，write 写数据等等，在信息交换的过程中，我们都是对这些流进行操作，简称 IO 操作，那计算机里面这些流，我们是通过文件描述符来进行操作的.

通常用户进程的一个完整 IO 分为两个阶段

从用户空间到内核空间，从内核空间到设备空间

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNzYzMzQ0_size_16_color_FFFFFF_t_70]

内核空间存放的是内核代码和数据，用户空间存放的是用户程序代码和数据，不管是内核还是用户，他们都处于虚拟地址空间，Linux 使用两级保护机制，0 级供内核使用，3 级供用户程序使用，也就是说，用户无法直接操作内核数据，必须通过系统调用请求内核完成 IO 操作

所以对于一个输入操作来说，进程 IO 系统调用后，内核会先看缓冲区有没有数据，如果没有到设备中读取，因为设备 IO 速度比较慢，对于用户来说，这是一个等待的过程，当内核缓冲区有数据则复制到进程的空间

所以 IO 操作的流程可以分为两步，等待 IO 的操作条件具备，然后进行数据拷贝

IO 一般有三种，内存 IO 、网络 IO、磁盘 IO ，我们一般说的是后两者

例子：网络输入操作  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNzYzMzQ0_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
先来了解四个概念

### 同步通信和异步通信 ###

这个同步和线程中的同步不是一个概念，这里指的是：如果发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回，换句话说，就是由调用者主动等待这个调用的结果

当一个异步过程调用发出后，直接返回，所以调用者不会立刻得到结果; 而是在调用发出后，被调用者通过状态来通知调用者，或者通过回调函数处理这个调用

所以同步和异步的区别是请求发出后，是否需要等待结果，才能继续执行其他操作，同步是需要等待，而异步不需要

### 阻塞和非阻塞 ###

阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果时的状态.

阻塞调用是指: 调用结果返回之前，当前线程会被挂起. 调用线程只有在得到结果之后才会返回

非阻塞调用指: 在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程

阻塞线程意思就是当前线程被挂起，让出 CPU 资源，进入等待队列，等待下一次被调度

> 参考文章:[https://www.cnblogs.com/mhq-martin/p/9035640.html][https_www.cnblogs.com_mhq-martin_p_9035640.html]

### 重要五种的 IO 模型 ###

1、阻塞 IO : 在内核将数据准备好之前, 系统调用会一直阻塞等待，什么事都不做，直到内核将数据准备好然后拷贝的用户空间，返回一个成功的指示，这种方式效率很低，无法处理并发

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNzYzMzQ0_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

//伪代码
    while(1){ 
    	// accept 调用发生在三次握手之后，从等待连接队列中拿出第一个
    	// 可设置套接字为 accept 阻塞接收
    	client_fd = accept(listen_fd)
    	fds.append(client_fd)
    	for(auto fd : fds){ 
    		//程序会阻塞在这一步，影响 accept 调用
    		// 因为如果客户端没有发送消息，这里会一直阻塞
    		if(recv(fd)){  
    			//..logic
    		}
    	}
    }

如果采用多线程模式，可以进行并发处理，但是线程的创建占用大量空间

//伪代码
    while(1){ 
    	// accept 阻塞
    	client_fd = accept(listen_fd)
    	// 开启线程 read 数据
    	// 随着 fd 增多，开启的线程数量越多
    	new	Thread func(){ 
    		// 此时并不妨碍上面 accept ，因为是两个线程
    		if(recv(fd)){ 
    			//logic
    		}
    	}
    }

2、非阻塞 IO : 服务器 accept 一个请求后，加入 fds 集合中，每次轮询遍历集合查看文件描述符是否就绪，没有报错返回，但是每次的轮询遍历对CPU是一种浪费

如下图  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNzYzMzQ0_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

// 设置非阻塞
    setNonblockint(listen_fd)
    //伪代码
    while(1){ 
    	// accept 非阻塞，CPU 一直在进行轮询
    	client_fd = accept(listen_fd)
    	if(client_fd != nullptr){ 
    		// 来连接了
    		fds.append(client_fd)
    	}else{ 
    		// 没有连接
    	}
    	
    	for(auto e:fds){ 
    		// recv 非阻塞，如果接收到数据返回数据长度
    		if(len == recv(fd) && len>0){ 
    			// 有读写数据 logic
    		}
    		else{ 
    			// 没有数据读写
    		}
    	}
    }

3、信号驱动 IO : 首先在内核和进程之间会建立 SIGIO 的信号处理程序，当内核将数据准备好的时候, 使用 SIGIO 信号通知应用程序，这时候应用程序才会系统调用，进行 IO 操作，如下图

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNzYzMzQ0_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
4、异步 IO:由内核在数据拷贝完成后, 通知应用程序处理数据报(信号驱动 IO 是告诉应用程序何时可以开始拷贝数据).

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNzYzMzQ0_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

### 注意：下面是重点 ###

(就算是理解不了，背也得给我背下来)

5、IO多路复用 ：是一种同步 IO 模型，实现一个线程可以监视多个文件句柄，一旦某个文件句柄就绪，就能通知应用程序进行相应的读写操作，没有文件句柄就绪时会阻塞应用程序，交出 CPU。多路指的是网络连接，复用指的是同一个线程

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNzYzMzQ0_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

服务器采用单线程通过 select /epoll 等系统调用获取就绪的 fd 列表，遍历有事件的 fd 进行accept / recv/ send ，使其支持更多的并发连接请求

fds = [listen_fd]
    while(1){ 
    	// 通过内核获取有读写事件的 fd,这样 recv 和 send 就不会阻塞
    	// 而阻塞仅仅是发生在 select 这个函数
    	for(auto fd : select(fds)){ 
    		if(fd == listen_fd){ 
    			client_fd = accept(listen_fd)
    			fds.append(client_fd)
    		}else if(len == recv(fd) &&len  != -1){ 
    			//logic
    		}
    	}
    }

任何 IO 过程中, 都包含两个步骤: 等待和拷贝. 在正常情况下等待的时间要比拷贝的时间长，所以提高效率最好的办法就是减少等待的时间

### IO 多路复用的三种实现方式 ###

*  select
 *  poll
 *  epoll

#### I/O 多路转接之 select ####

系统提供 select 函数用来实现多路复用输入输出模型，用户进行 select 系统调用时，会进入阻塞状态监视多个文件描述符的状态

这个状态有可读，可写，异常状态

> 函数原型  
> int select(int nfds, fd\_set \*readfds, fd\_set \*writefds,  
> fd\_set \*exceptfds, struct timeval \*timeout)；

第一个参数：需要监视的最大文件描述符+1

第二、三、四个参数：需要检测的可读，可写，异常文件描述符集合

第五个参数：用来设置等待的时间，如果不设置则会一直等待，直到某个文件描述符发生事件.如果在特定的时间内没有事件发生，则 select 返回 0

说明：select 第一个参数之所以要设置为最大文件描述符+1，是因为文件描述符从 0 开始，比如我们要检测文件描述符4 ，5 , 6 需要检测 7 次，也就是从0 到 6，否则 6 文件描述符没有检测到

### select 特点、缺陷 ###

可监控的文件描述符有上限，一般根据 fd\_set 结构体大小决定的，比如 sizeof(fd\_set) = 512 ，那么上限就是 512 \* 8，因为 1 个字节占 8 位，每一个 bit 位表示一个文件描述符

将 fd 文件描述符加入 select 集合后，还需要使用一个数组来保存这些文件描述符，以便 select 返回后清空未发生事件的文件描述符，同时可以遍历出最大的文件描述符，计算出 select 第一个参数

每次调用 select 都要手动设置 fd 集合，比如你要监视读文件描述符，则输入读的参数，这样对用户来说不太友好，因为不方便

每次调用 select，都需要把文件描述符集合从用户态拷贝到内核态，开销太大，同时还需要遍历文件描述符

### I/O 多路转接之 poll ###

在 select 的基础上，接口变得比较简单，采用事件结构的方式，将就绪文件描述符写入一个结构体，但并没有解决 select 效率低的问题

另外 poll 只能用于 Linux 下，无法跨平台使用，select 具有移植性

### I/O 多路转接之 epoll (重要掌握) ###

是为处理大批量句柄而作了改进的 poll

主要有三个核心 apl 和两个数据结构(红黑树和链表)

#### 在内核中创建 eventpoll 结构体 ####

并返回一个文件描述符的操作句柄 ，size 决定 epoll 最多监控多少个描述符，默认忽略

> int epoll\_create(int size);

#### epoll 的事件注册函数 ####

> int epoll\_ctl (int epfd, int op, int fd, struct epoll\_event\* event)

将被监听的文件描述符添加到红黑树结构中，或者对监听的事件进行修改和删除

epoll\_ctl 对这棵树进行管理，红黑树的每个成员由描述符值 data 和文件描述符指向的文件表项组成

第一个参数：epoll 句柄  
第二个参数：表示动作，比如向红黑数添加事件结构信息`(EPOLL_CTL_ADD)`，从红黑树移除事件结构信息`(EPOLL_CTL_DEL)`、从红黑树修改事件结构信息`(EPOLL_CTL_MOD)`

第三个参数：需要监听的 fd

第四个参数：告诉内核需要监听什么事，比如描述符可读、可写、异常状态是被触发

#### 收集在 epoll 监控事件中已经发生的事件 ####

> int epoll\_wait (int epfd, struct epoll\_event \* events, int maxevents, int timeout);

第一个参数是 epoll 的句柄

第二个参数表示，epoll 将会把触发的事件写入 events 数组，内核只负责写入，但是不会分配内存

第三个参数 maxevents ：返回的 events 的最大个数

第四个参数 timeout: 表示超时时间的毫秒(0 会立即返回，-1 是永久阻塞)

如果函数调用成功，返回对应 I/O 上已准备好的文件描述符数目，如返回 0 表示已超时, 返回小于 0 表示函数失败

### epoll 工作原理 ###

当某一个进程调用 epoll\_create 时，Linux 内核会创建一个 eventpoll 结构体，在这个结构体中包含两个成员，一个是红黑树的根节点，一个是双向链表节点

当调用注册函数 epoll\_ctl 的时候，会将用户指定事件挂载到红黑树上，也就是说红黑树上添加着 epoll 对象中所有的事件，之所以选择红黑树是因为其可以高效识别重复添加的事件；所有添加到 epoll 中的事件都会与设备驱动建立回调关系，只有响应的事件被触发，就会调用回调函数，把事件添加到双向链表中；

对于每一个事件，都会建立一个 epitem 结构体，对这个事件进行描述，比如红黑树节点信息，双向链表节点，期待发生的事件类型等

最后调用 epoll\_wait 函数检查是否有事件发生时，只需要检查 event\_poll 对象中的链表是否为空，如果不为空则把事件复制到用户态，同时将事件的数量返回给用户，操作复杂度为O(1)，如果为空则进行等待.

#### epoll 和 select 、poll 比较 ####

epoll 接口使用方便高效，不需要每次循环设置关注的文件描述符, 也做到了输入输出参数分离开，只需要一次将文件描述符拷贝到内存中，不像 select 每次循环都要进行拷贝

epoll 使用事件回调函数的机制，检测文件描述符是否就绪，将就绪的文件描述符添加到就绪队列中，epoll\_wait 会直接访问就绪队列就知道哪些文件描述符就绪了，不需要向 select、poll 那样进行遍历，而且 epoll 对文件描述符的上限也没有限制

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNzYzMzQ0_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]  
当把文件描述符传递给用户时，select、poll 还需要一次遍历检测哪些文件描述符就绪，对于 epoll 传入给用户的就是已经就绪的文件描述符，不需要经过遍历

### epoll 两种触发方式 ###

#### 水平触发(LT) ####

当 epoll 检测到 socket 上事件就绪的时候, 可以不立刻进行处理. 或者只处理一部分，这也是 epoll 默认的处理方式

比如我们把一个 tcp socket 添加到 epoll 对象中，这个时候 socket 另一端被写入了 2k 的数据，当调用 epoll\_wait 函数会返回，可能只会读取 1k 的数据，剩下的 1k 数据下一次读取时 epoll\_wait 也会立刻返回，直到缓冲区数据被处理完，epoll\_wait 就不会返回了

### 边缘触发(ET) ###

当 epoll 检测到 socket 上事件就绪时, 必须立刻处理.如上面的例子, 虽然只读了 1k 的数据, 缓冲区还剩 1k 的数据, 在第二次调用 epoll\_wait 的时候 ，epoll\_wait 不会再返回了，也就是说, 边缘触发的模式下, 文件描述符上的事件就绪后, 只有一次处理机会

### 对比 LT 和 ET ###

ET 的性能比 LT 性能更高，因为 epoll\_wait 返回的次数少了很多

select 和 poll 其实也是工作在 LT 模式下. epoll 既可以支持 LT, 也可以支持 ET，在第 1 步将 socket 添加到 epoll 描述符的时候使用EPOLLET 标志，就会进入 ET 模式

Nginx 默认采用 ET 模式使用 epoll ，只支持非阻塞的读写，所以 ET 模式下的 epoll, 需要将文件描述设置为非阻塞进行轮询遍历. 这个不是接口上的要求, 而是 “工程实践” 上的要求

就像刚才的例子，如果 ET 模式使用阻塞的方式，那么第二次读取 1k 数据时，epoll\_wait 就不会返回，因为只处理一次就绪事件，第二次只有在往进去写数据，才会触发事件

### epoll 场景 ###

对于多连接，且多个连接中只有一部分连接比较活跃时选用 epoll 比较合适，比如一个需要处理上万个客户端的 app 入口服务器, 这样的服务器就很适合 epoll

### epoll 中的惊群问题 ###

在多进程或多线程的环境下，我们为了提高程序的效率和稳定性，采用 epoll 的模式，让多个进程或线程同时在 epoll\_wait 函数监听文件描述符，但当一个新的请求链接到来时，操作系统不知道唤醒哪个线程，就干脆一起唤醒，但是只有一个线程可以处理 accept 事件，其他线程都将失败，这种现象称为惊群效应，带来的结果就是资源的消耗和性能的影响

如何解决这个问题？

这种情况，不建议让多个线程同时在 epoll\_wait 监听的 socket，而是让其中一个线程 epoll\_wait 监听的 socket , 当有新的链接请求进来之后，由 epoll\_wait 的线程调用 accept，建立新的连接，然后交给其他工作线程处理后续的数据读写请求，这样就可以避免了由于多线程环境下的 epoll\_wait 惊群效应问题

举个栗子：就好比我们去星级酒店吃饭，门前一定有招待客人的服务生，但是它只是招待新到来的客户，至于客户进到酒店后，它只要把客户交到酒店内部的服务生就可以了，没必要自己去处理所有的事情

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