（十八）深入浅出TCPIP之epoll的一些思考

清疚 2022-12-29 12:39 216阅读 0赞

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# Epoll基本介绍 #

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。

所以先来看看二者的区别：

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函数 #

epoll的接口非常简单，一共就三个函数：  
1.int epoll\_create( int size ); //int close(int epfd);  
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。  
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 */
    }
    typedef union epoll_data {
                    void *ptr;
                    int fd;
                    __uint32_t u32;
                    __uint64_t u64;
    } epoll_data_t;

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。只有在使用epoll ET(Edge Trigger)模式的时候，才需要关注数据是否读取完毕了。使用select或者epoll的LT模式，其实根本不用关注数据是否读完了，select/epoll检测到有数据可读去读就OK了  
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  
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。   
epoll\_wait运行的原理是   
等侍注册在epfd上的socket fd的事件的发生，如果发生则将发生的sokct fd和事件类型放入到events数组中。   
并且将注册在epfd上的socket fd的事件类型给清空，所以如果下一个循环你还要关注这个socket fd的话，则需要用epoll\_ctl(epfd,EPOLL\_CTL\_MOD,listenfd,&ev)来重新设置socket fd的事件类型。这时不用EPOLL\_CTL\_ADD,因为socket fd并未清空，只是事件类型清空。这一步非常重要。

# 水平出发和边缘触发 #

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。

再详细一点：LT：水平触发  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。 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  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)。 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。

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，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，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）  
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;
    }

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;
    }

单个epoll并不能解决所有问题，特别是你的每个操作都比较费时的时候，因为epoll是串行处理的。   
所以你有还是必要建立线程池来发挥更大的效能。

例子：

#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>
    #define MAXLINE 10
    #define OPEN_MAX 100
    #define LISTENQ 20
    #define SERV_PORT 5555
    #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;
    //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="200.200.200.204";
    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);
    std::cout<<"connect from "<_u115 ?tr<<std::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;
    //注册ev
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev);
    }
    else if(events[i].events&EPOLLIN)
    {
    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;
    }
    //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);
    }
    }
    }
    }

对，epoll的操作就这么简单，总共不过4个API：epoll\_create, epoll\_ctl, epoll\_wait和close。

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