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分类: LINUX

2011-09-26 16:11:30

1. 功能介绍
    epoll与select/poll不同的一点是,它是由一组系统调用组成。
    int epoll_create(int size);
    int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
    int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,
                      int maxevents, int timeout);
    epoll相关系统调用是在Linux 2.5.44开始引入的。该系统调用针对传统的select/
poll系统调用的不足,设计上作了很大的改动。select/poll的缺点在于:
    1.每次调用时要重复地从用户态读入参数。
    2.每次调用时要重复地扫描文件描述符。
    3.每次在调用开始时,要把当前进程放入各个文件描述符的等待队列。在调用结束后,
又把进程从各个等待队列中删除。
    在实际应用中,select/poll监视的文件描述符可能会非常多,如果每次只是返回
一小部分,那么,这种情况下select/poll显得不够高效。 epoll的设计思路,是把
select/poll单个的操作拆分为1个epoll_create+多个epoll_ctrl+一个wait。此外,
内核针对epoll操作添加了一个文件系统”eventpollfs”,每一个或者多个要监视的
文件描述符都有一个对应的eventpollfs文件系统的inode节点,主要信息保存在eve
ntpoll结构体中。而被监视的文件的重要信息则保存在epitem结构体中。所以他们
是一对多的关系。
    由于在执行epoll_create和epoll_ctrl时,已经把用户态的信息保存到内核态了
,所以之后即使反复地调用epoll_wait,也不会重复地拷贝参数,扫描文件描述符,
反复地把当前进程放入/放出等待队列。这样就避免了以上的三个缺点。
    接下去看看它们的实现:
2. 关键结构体
/* Wrapper struct used by poll queueing */
struct ep_pqueue {
        poll_table pt;
        struct epitem *epi;
};
    这个结构体类似于select/poll中的struct poll_wqueues。由于epoll需要在内核
态保存大量信息,所以光光一个回调函数指针已经不能满足要求,所以在这里引入了
一个新的结构体struct epitem。
/*
 * Each file descriptor added to the eventpoll interface will
 * have an entry of this type linked to the hash.
 */
struct epitem {
        /* RB-Tree node used to link this structure to the eventpoll rb-tree */
        struct rb_node rbn;
        红黑树,用来保存eventpoll
        /* List header used to link this structure to the eventpoll ready list */
        struct list_head rdllink;
        双向链表,用来保存已经完成的eventpoll
        /* The file descriptor information this item refers to */
        struct epoll_filefd ffd;
        这个结构体对应的被监听的文件描述符信息
        /* Number of active wait queue attached to poll operations */
        int nwait;
        poll操作中事件的个数
        /* List containing poll wait queues */
        struct list_head pwqlist;
        双向链表,保存着被监视文件的等待队列,功能类似于select/poll中的poll_table
        /* The "container" of this item */
        struct eventpoll *ep;
        指向eventpoll,多个epitem对应一个eventpoll
        /* The structure that describe the interested events and the source fd */
        struct epoll_event event;
        记录发生的事件和对应的fd
        /*
         * Used to keep track of the usage count of the structure. This avoids
         * that the structure will desappear from underneath our processing.
         */
        atomic_t usecnt;
        引用计数
        /* List header used to link this item to the "struct file" items list */
        struct list_head fllink;
        双向链表,用来链接被监视的文件描述符对应的struct file。因为file里有f_ep_link,
用来保存所有监视这个文件的epoll节点
        /* List header used to link the item to the transfer list */
        struct list_head txlink;
        双向链表,用来保存传输队列
        /*
         * This is used during the collection/transfer of events to userspace
         * to pin items empty events set.
         */
        unsigned int revents;
        文件描述符的状态,在收集和传输时用来锁住空的事件集合
};
    该结构体用来保存与epoll节点关联的多个文件描述符,保存的方式是使用红黑树实现的hash表.
至于为什么要保存,下文有详细解释。它与被监听的文件描述符一一对应.
struct eventpoll {
        /* Protect the this structure access */
        rwlock_t lock;
        读写锁
        /*
         * This semaphore is used to ensure that files are not removed
         * while epoll is using them. This is read-held during the event
         * collection loop and it is write-held during the file cleanup
         * path, the epoll file exit code and the ctl operations.
         */
        struct rw_semaphore sem;
        读写信号量
        /* Wait queue used by sys_epoll_wait() */
        wait_queue_head_t wq;
        /* Wait queue used by file->poll() */
        wait_queue_head_t poll_wait;
        /* List of ready file descriptors */
        struct list_head rdllist;
        已经完成的操作事件的队列。
        /* RB-Tree root used to store monitored fd structs */
        struct rb_root rbr;
       保存epoll监视的文件描述符
};
       这个结构体保存了epoll文件描述符的扩展信息,它被保存在file结构体的private_data
中。它与epoll文件节点一一对应。通常一个epoll文件节点对应多个被监视的文件描述符。
所以一个eventpoll结构体会对应多个epitem结构体。
       那么,epoll中的等待事件放在哪里呢?见下面
/* Wait structure used by the poll hooks */
struct eppoll_entry {
        /* List header used to link this structure to the "struct epitem" */
        struct list_head llink;
        /* The "base" pointer is set to the container "struct epitem" */
        void *base;
        /*
         * Wait queue item that will be linked to the target file wait
         * queue head.
         */
        wait_queue_t wait;
        /* The wait queue head that linked the "wait" wait queue item */
        wait_queue_head_t *whead;
};
    与select/poll的struct poll_table_entry相比,epoll的表示等待队列节点的结
构体只是稍有不同,与struct poll_table_entry比较一下。
struct poll_table_entry {
        struct file * filp;
        wait_queue_t wait;
        wait_queue_head_t * wait_address;
};
    由于epitem对应一个被监视的文件,所以通过base可以方便地得到被监视的文件信息。
又因为一个文件可能有多个事件发生,所以用llink链接这些事件。
3. epoll_create的实现
    epoll_create()的功能是创建一个eventpollfs文件系统的inode节点。具体由ep
_getfd()完成。ep_getfd()先调用ep_eventpoll_inode()创建一个inode节点,然后
调用d_alloc()为inode分配一个dentry。最后把file,dentry,inode三者关联起来。
    在执行了ep_getfd()之后,它又调用了ep_file_init(),分配了eventpoll结构体
,并把eventpoll的指针赋给file结构体,这样eventpoll就与file结构体关联起来了。
    需要注意的是epoll_create()的参数size实际上只是起参考作用,只要它不小于
等于0,就并不限制这个epoll inode关联的文件描述符数量。
4. epoll_ctl的实现
    epoll_ctl的功能是实现一系列操作,如把文件与eventpollfs文件系统的inode节
点关联起来。这里要介绍一下eventpoll结构体,它保存在file->f_private中,记录
了eventpollfs文件系统的inode节点的重要信息,其中成员rbr保存了该epoll文件节
点监视的所有文件描述符。组织的方式是一棵红黑树,这种结构体在查找节点时非常
高效。
    首先它调用ep_find()从eventpoll中的红黑树获得epitem结构体。然后根据op参
数的不同而选择不同的操作。如果op为EPOLL_CTL_ADD,那么正常情况下epitem是不
可能在eventpoll的红黑树中找到的,所以调用ep_insert创建一个epitem结构体并插
入到对应的红黑树中。
    ep_insert()首先分配一个epitem对象,对它初始化后,把它放入对应的红黑树。
此外,这个函数还要作一个操作,就是把当前进程放入对应文件操作的等待队列。这
一步是由下面的代码完成的。
    init_poll_funcptr(&epq.pt, ep_ptable_queue_proc);
    。。。
    revents = tfile->f_op->poll(tfile, &epq.pt);
    函数先调用init_poll_funcptr注册了一个回调函数 ep_ptable_queue_proc,这
个函数会在调用f_op->poll时被执行。该函数分配一个epoll等待队列结点eppoll_entry
:一方面把它挂到文件操作的等待队列中,另一方面把它挂到epitem的队列中。此外,它还
注册了一个等待队列的回调函数ep_poll_callback。当文件操作完成,唤醒当前进程之前,
会调用ep_poll_callback(),把eventpoll放到epitem的完成队列中,并唤醒等待进程。
    如果在执行f_op->poll以后,发现被监视的文件操作已经完成了,那么把它放在完成
队列中了,并立即把等待操作的那些进程唤醒。
5. epoll_wait的实现
    epoll_wait的工作是等待文件操作完成并返回。
    它的主体是ep_poll(),该函数在for循环中检查epitem中有没有已经完成的事件
,有的话就把结果返回。没有的话调用schedule_timeout()进入休眠,直到进程被再
度唤醒或者超时。
6. 性能分析
    epoll机制是针对select/poll的缺陷设计的。通过新引入的eventpollfs文件系统
,epoll把参数拷贝到内核态,在每次轮询时不会重复拷贝。通过把操作拆分为epol
l_create,epoll_ctl,epoll_wait,避免了重复地遍历要监视的文件描述符。此外,
由于调用epoll的进程被唤醒后,只要直接从epitem的完成队列中找出完成的事件,
找出完成事件的复杂度由O(N)降到了O(1)。
    但是epoll的性能提高是有前提的,那就是监视的文件描述符非常多,而且每次完
成操作的文件非常少。所以,epoll能否显著提高效率,取决于实际的应用场景。这
方面需要进一步测试。
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