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高并发网络编程之epoll详解

分类： LINUX

2016-03-04 17:46:12

在linux 没有实现epoll事件驱动机制之前，我们一般选择用select或者poll等IO多路复用的方法来实现并发服务程序。在大数据、高并发、集群等一些名词唱得火热之年代，select和poll的用武之地越来越有限，风头已经被epoll占尽。

本文便来介绍epoll的实现机制，并附带讲解一下select和poll。通过对比其不同的实现机制，真正理解为何epoll能实现高并发。

select()和poll() IO多路复用模型

select的缺点：

  1. 单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，通常是1024，当然可以更改数量，但由于select采用轮询的方式扫描文件描述符，文件描述符数量越多，性能越差；(在linux内核头文件中，有这样的定义：#define __FD_SETSIZE    1024)
  2. 内核 / 用户空间内存拷贝问题，select需要复制大量的句柄数据结构，产生巨大的开销；
  3. select返回的是含有整个句柄的数组，应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件；
  4. select的触发方式是水平触发，应用程序如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行IO操作，那么之后每次select调用还是会将这些文件描述符通知进程。

相比select模型，poll使用链表保存文件描述符，因此没有了监视文件数量的限制，但其他三个缺点依然存在。

拿select模型为例，假设我们的服务器需要支持100万的并发连接，则在__FD_SETSIZE 为1024的情况下，则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。除了进程间上下文切换的时间消耗外，从内核/用户空间大量的无脑内存拷 贝、数组轮询等，是系统难以承受的。因此，基于select模型的服务器程序，要达到10万级别的并发访问，是一个很难完成的任务。

因此，该epoll上场了。

epoll IO多路复用模型实现机制

由于epoll的实现机制与select/poll机制完全不同，上面所说的 select的缺点在epoll上不复存在。

设想一下如下场景：有100万个客户端同时与一个服务器进程保持着TCP连接。而每一时刻，通常只有几百上千个TCP连接是活跃的(事实上大部分场景都是这种情况)。如何实现这样的高并发？

在select/poll时代，服务器进程每次都把这100万个连接告诉操作系统(从用户态复制句柄数据结构到内核态)，让操作系统内核去查询这些 套接字上是否有事件发生，轮询完后，再将句柄数据复制到用户态，让服务器应用程序轮询处理已发生的网络事件，这一过程资源消耗较大，因 此，select/poll一般只能处理几千的并发连接。

epoll的设计和实现与select完全不同。epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统(文件系统一般用什么数据结构实现？B+树)。把原先的select/poll调用分成了3个部分：

1）调用epoll_create()建立一个epoll对象(在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源)

2）调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接的套接字

3）调用epoll_wait收集发生的事件的连接

如此一来，要实现上面说是的场景，只需要在进程启动时建立一个epoll对象，然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同 时，epoll_wait的效率也非常高，因为调用epoll_wait时，并没有一股脑的向操作系统复制这100万个连接的句柄数据，内核也不需要去遍 历全部的连接。

下面来看看Linux内核具体的epoll机制实现思路。

当某一进程调用epoll_create方法时，Linux内核会创建一个eventpoll结构体，这个结构体中有两个成员与epoll的使用方式密切相关。eventpoll结构体如下所示：


点击(此处)折叠或打开

  1. struct eventpoll{
  2.     ....
  3.     /*红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/
  4.     struct rb_root rbr;
  5.     /*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/
  6.     struct list_head rdlist;
  7.     ....
  8. }

每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体，用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。这些事件都 会挂载在红黑树中，如此，重复添加的事件就可以通过红黑树而高效的识别出来(红黑树的插入时间效率是lgn，其中n为树的高度)。

而所有添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系，也就是说，当相应的事件发生时会调用这个回调方法。这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback,它会将发生的事件添加到rdlist双链表中。

在epoll中，对于每一个事件，都会建立一个epitem结构体，如下所示：


点击(此处)折叠或打开

  1. struct epitem{
  2.     struct rb_node rbn;//红黑树节点
  3.     struct list_head rdllink;//双向链表节点
  4.     struct epoll_filefd ffd; //事件句柄信息
  5.     struct eventpoll *ep; //指向其所属的eventpoll对象
  6.     struct epoll_event event; //期待发生的事件类型
  7. }
当调用epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不为空，则把发生的事件复制到用户态，同时将事件数量返回给用户。

epoll数据结构示意图

从上面的讲解可知：通过红黑树和双链表数据结构，并结合回调机制，造就了epoll的高效。

OK，讲解完了Epoll的机理，我们便能很容易掌握epoll的用法了。一句话描述就是：三步曲。

第一步：epoll_create()系统调用。此调用返回一个句柄，之后所有的使用都依靠这个句柄来标识。

第二步：epoll_ctl()系统调用。通过此调用向epoll对象中添加、删除、修改感兴趣的事件，返回0标识成功，返回-1表示失败。

第三部：epoll_wait()系统调用。通过此调用收集收集在epoll监控中已经发生的事件。

最后，附上一个epoll编程实例。(作者为sparkliang)


点击(此处)折叠或打开

  1. //
  2. // a simple echo server using epoll in linux
  3. //
  4. // 2009-11-05
  5. // 2013-03-22:修改了几个问题，1是/n格式问题，2是去掉了原代码不小心加上的ET模式;
  6. // 本来只是简单的示意程序，决定还是加上 recv/send时的buffer偏移
  7. // by sparkling
  8. //
  9. #include <sys/socket.h>
  10. #include <sys/epoll.h>
  11. #include <netinet/in.h>
  12. #include <arpa/inet.h>
  13. #include <fcntl.h>
  14. #include <unistd.h>
  15. #include <stdio.h>
  16. #include <errno.h>
  17. #include <iostream>
  18. using namespace std;
  19. #define MAX_EVENTS 500
  20. struct myevent_s
  21. {
  22.     int fd;
  23.     void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);
  24.     int events;
  25.     void *arg;
  26.     int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in
  27.     char buff[128]; // recv data buffer
  28.     int len, s_offset;
  29.     long last_active; // last active time
  30. };
  31. // set event
  32. void EventSet(myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void*), void *arg)
  33. {
  34.     ev->fd = fd;
  35.     ev->call_back = call_back;
  36.     ev->events = 0;
  37.     ev->arg = arg;
  38.     ev->status = 0;
  39.     bzero(ev->buff, sizeof(ev->buff));
  40.     ev->s_offset = 0;
  41.     ev->len = 0;
  42.     ev->last_active = time(NULL);
  43. }
  44. // add/mod an event to epoll
  45. void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev)
  46. {
  47.     struct epoll_event epv = {0, {0}};
  48.     int op;
  49.     epv.data.ptr = ev;
  50.     epv.events = ev->events = events;
  51.     if(ev->status == 1){
  52.         op = EPOLL_CTL_MOD;
  53.     }
  54.     else{
  55.         op = EPOLL_CTL_ADD;
  56.         ev->status = 1;
  57.     }
  58.     if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0)
  59.         printf("Event Add failed[fd=%d], evnets[%d]\n", ev->fd, events);
  60.     else
  61.         printf("Event Add OK[fd=%d], op=%d, evnets[%0X]\n", ev->fd, op, events);
  62. }
  63. // delete an event from epoll
  64. void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev)
  65. {
  66.     struct epoll_event epv = {0, {0}};
  67.     if(ev->status != 1) return;
  68.     epv.data.ptr = ev;
  69.     ev->status = 0;
  70.     epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);
  71. }
  72. int g_epollFd;
  73. myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd
  74. void RecvData(int fd, int events, void *arg);
  75. void SendData(int fd, int events, void *arg);
  76. // accept new connections from clients
  77. void AcceptConn(int fd, int events, void *arg)
  78. {
  79.     struct sockaddr_in sin;
  80.     socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);
  81.     int nfd, i;
  82.     // accept
  83.     if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1)
  84.     {
  85.         if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)
  86.         {
  87.         }
  88.         printf("%s: accept, %d", __func__, errno);
  89.         return;
  90.     }
  91.     do
  92.     {
  93.         for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)
  94.         {
  95.             if(g_Events[i].status == 0)
  96.             {
  97.                 break;
  98.             }
  99.         }
  100.         if(i == MAX_EVENTS)
  101.         {
  102.             printf("%s:max connection limit[%d].", __func__, MAX_EVENTS);
  103.             break;
  104.         }
  105.         // set nonblocking
  106.         int iret = 0;
  107.         if((iret = fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0)
  108.         {
  109.             printf("%s: fcntl nonblocking failed:%d", __func__, iret);
  110.             break;
  111.         }
  112.         // add a read event for receive data
  113.         EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]);
  114.         EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, &g_Events[i]);
  115.     }while(0);
  116.     printf("new conn[%s:%d][time:%d], pos[%d]\n", inet_ntoa(sin.sin_addr),
  117.             ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active, i);
  118. }
  119. // receive data
  120. void RecvData(int fd, int events, void *arg)
  121. {
  122.     struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;
  123.     int len;
  124.     // receive data
  125.     len = recv(fd, ev->buff+ev->len, sizeof(ev->buff)-1-ev->len, 0);
  126.     EventDel(g_epollFd, ev);
  127.     if(len > 0)
  128.     {
  129.         ev->len += len;
  130.         ev->buff[len] = '\0';
  131.         printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buff);
  132.         // change to send event
  133.         EventSet(ev, fd, SendData, ev);
  134.         EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT, ev);
  135.     }
  136.     else if(len == 0)
  137.     {
  138.         close(ev->fd);
  139.         printf("[fd=%d] pos[%d], closed gracefully.\n", fd, ev-g_Events);
  140.     }
  141.     else
  142.     {
  143.         close(ev->fd);
  144.         printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno));
  145.     }
  146. }
  147. // send data
  148. void SendData(int fd, int events, void *arg)
  149. {
  150.     struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;
  151.     int len;
  152.     // send data
  153.     len = send(fd, ev->buff + ev->s_offset, ev->len - ev->s_offset, 0);
  154.     if(len > 0)
  155.     {
  156.         printf("send[fd=%d], [%d<->%d]%s\n", fd, len, ev->len, ev->buff);
  157.         ev->s_offset += len;
  158.         if(ev->s_offset == ev->len)
  159.         {
  160.             // change to receive event
  161.             EventDel(g_epollFd, ev);
  162.             EventSet(ev, fd, RecvData, ev);
  163.             EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, ev);
  164.         }
  165.     }
  166.     else
  167.     {
  168.         close(ev->fd);
  169.         EventDel(g_epollFd, ev);
  170.         printf("send[fd=%d] error[%d]\n", fd, errno);
  171.     }
  172. }
  173. void InitListenSocket(int epollFd, short port)
  174. {
  175.     int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  176.     fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking
  177.     printf("server listen fd=%d\n", listenFd);
  178.     EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVENTS]);
  179.     // add listen socket
  180.     EventAdd(epollFd, EPOLLIN, &g_Events[MAX_EVENTS]);
  181.     // bind & listen
  182.     sockaddr_in sin;
  183.     bzero(&sin, sizeof(sin));
  184.     sin.sin_family = AF_INET;
  185.     sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
  186.     sin.sin_port = htons(port);
  187.     bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin));
  188.     listen(listenFd, 5);
  189. }
  190. int main(int argc, char **argv)
  191. {
  192.     unsigned short port = 12345; // default port
  193.     if(argc == 2){
  194.         port = atoi(argv[1]);
  195.     }
  196.     // create epoll
  197.     g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS);
  198.     if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d\n", g_epollFd);
  199.     // create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking
  200.     InitListenSocket(g_epollFd, port);
  201.     // event loop
  202.     struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
  203.     printf("server running:port[%d]\n", port);
  204.     int checkPos = 0;
  205.     while(1){
  206.         // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event
  207.         long now = time(NULL);
  208.         for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn



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