揭秘Linux高性能服务epoll 的本质

发表于 2年以前 | 总阅读数：369 次

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导语

epoll接口是为解决Linux内核处理大量文件描述符而提出的方案。该接口属于Linux下多路I/O复用接口中select/poll的增强。其经常应用于Linux下高并发服务型程序，特别是在大量并发连接中只有少部分连接处于活跃下的情况 (通常是这种情况)，在该情况下能显著的提高程序的CPU利用率。本篇详细解读了epoll的用法，希望大家能有所收获！

正文

设想一个场景：有100万用户同时与一个进程保持着TCP连接，而每一时刻只有几十个或几百个TCP连接是活跃的(接收TCP包)，也就是说在每一时刻进程只需要处理这100万连接中的一小部分连接。那么，如何才能高效的处理这种场景呢？进程是否在每次询问操作系统收集有事件发生的TCP连接时，把这100万个连接告诉操作系统，然后由操作系统找出其中有事件发生的几百个连接呢？实际上，在 Linux2.4 版本以前，那时的select 或者 poll 事件驱动方式是这样做的。

这里有个非常明显的问题，即在某一时刻，进程收集有事件的连接时，其实这100万连接中的大部分都是没有事件发生的。因此如果每次收集事件时，都把100万连接的套接字传给操作系统（这首先是用户态内存到内核态内存的大量复制），而由操作系统内核寻找这些连接上有没有未处理的事件，将会是巨大的资源浪费，然后select和poll就是这样做的，因此它们最多只能处理几千个并发连接。而epoll不这样做，它在Linux内核中申请了一个简易的文件系统，把原先的一个select或poll调用分成了3部分：

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);

1、调用 epoll_create 建立一个 epoll 对象（在epoll文件系统中给这个句柄分配资源）； 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 收集发生事件的连接。

这样只需要在进程启动时建立 1 个 epoll 对象，并在需要的时候向它添加或删除连接就可以了，因此，在实际收集事件时，epoll_wait 的效率就会非常高，因为调用 epoll_wait 时并没有向它传递这100万个连接，内核也不需要去遍历全部的连接。

一、epoll原理详解

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，如下所示：

struct eventpoll {
　　...
　　/*红黑树的根节点，这棵树中存储着所有添加到epoll中的事件，
　　也就是这个epoll监控的事件*/
　　struct rb_root rbr;
　　/*双向链表rdllist保存着将要通过epoll_wait返回给用户的、满足条件的事件*/
　　struct list_head rdllist;
　　...
};

我们在调用 epoll_create 时，内核除了帮我们在 epoll 文件系统里建了个 file 结点，在内核 cache 里建了个红黑树用于存储以后 epoll_ctl 传来的 socket 外，还会再建立一个 rdllist 双向链表，用于存储准备就绪的事件，当 epoll_wait 调用时，仅仅观察这个 rdllist 双向链表里有没有数据即可。有数据就返回，没有数据就sleep，等到 timeout 时间到后即使链表没数据也返回。所以epoll_wait 非常高效。

所有添加到epoll中的事件都会与设备(如网卡)驱动程序建立回调关系，也就是说相应事件的发生时会调用这里的回调方法。这个回调方法在内核中叫做ep_poll_callback，它会把这样的事件放到上面的rdllist双向链表中。

在epoll中对于每一个事件都会建立一个epitem结构体，如下所示：

struct epitem {
　　...
　　//红黑树节点
　　struct rb_node rbn;
　　//双向链表节点
　　struct list_head rdllink;
　　//事件句柄等信息
　　struct epoll_filefd ffd;
　　//指向其所属的eventepoll对象
　　struct eventpoll *ep;
　　//期待的事件类型
　　struct epoll_event event;
　　...
}; // 这里包含每一个事件对应着的信息。

当调用 epoll_wait 检查是否有发生事件的连接时，只是检查eventpoll对象中的rdllist双向链表是否有epitem元素而已，如果rdllist链表不为空，则这里的事件复制到用户态内存（使用共享内存提高效率）中，同时将事件数量返回给用户。因此epoll_waitx效率非常高。epoll_ctl在向epoll对象中添加、修改、删除事件时，从rbr红黑树中查找事件也非常快，也就是说epoll是非常高效的，它可以轻易地处理百万级别的并发连接。

【总结】：

一颗红黑树，一张准备就绪句柄链表，少量的内核cache，就帮我们解决了大并发下的socket处理问题.

执行epoll_create() 时，创建了红黑树和就绪链表;
执行 epoll_ctl() 时，如果增加 socket 句柄，则检查在红黑树中是否存在，存在立即返回，不存在则添加到树干上，然后向内核注册回调函数，用于当中断事件来临时向准备就绪链表中插入数据;
执行 epoll_wait() 时立刻返回准备就绪链表里的数据即可。

二、epoll 的两种触发模式

epoll有EPOLLLT和EPOLLET两种触发模式，LT是默认的模式，ET是“高速”模式。

LT（水平触发）模式下，只要这个文件描述符还有数据可读，每次 epoll_wait都会返回它的事件，提醒用户程序去操作；
ET（边缘触发）模式下，在它检测到有 I/O 事件时，通过 epoll_wait 调用会得到有事件通知的文件描述符，对于每一个被通知的文件描述符，如可读，则必须将该文件描述符一直读到空，让 errno 返回 EAGAIN 为止，否则下次的 epoll_wait 不会返回余下的数据，会丢掉事件。

如果ET模式不是非阻塞的，那这个一直读或一直写势必会在最后一次阻塞。

还有一个特点是，epoll使用“事件”的就绪通知方式，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，epoll_wait便可以收到通知。

【epoll为什么要有ET触发模式？】：

如果采用 EPOLLLT 模式的话，系统中一旦有大量你不需要读写的就绪文件描述符，它们每次调用epoll_wait都会返回，这样会大大降低处理程序检索自己关心的就绪文件描述符的效率.。而采用EPOLLET这种边缘触发模式的话，当被监控的文件描述符上有可读写事件发生时，epoll_wait()会通知处理程序去读写。如果这次没有把数据全部读写完(如读写缓冲区太小)，那么下次调用epoll_wait()时，它不会通知你，也就是它只会通知你一次，直到该文件描述符上出现第二次可读写事件才会通知你！！！这种模式比水平触发效率高，系统不会充斥大量你不关心的就绪文件描述符。

【总结】：

ET模式（边缘触发）

只有数据到来才触发，不管缓存区中是否还有数据，缓冲区剩余未读尽的数据不会导致epoll_wait返回；
边沿触发模式很大程度上降低了同一个epoll事件被重复触发的次数，所以效率更高；
对于读写的connfd，边缘触发模式下，必须使用非阻塞IO，并要一次性全部读写完数据。
ET的编程可以做到更加简洁，某些场景下更加高效，但另一方面容易遗漏事件，容易产生bug；

LT 模式（水平触发，默认）

只要有数据都会触发，缓冲区剩余未读尽的数据会导致epoll_wait返回；
LT比ET多了一个开关EPOLLOUT事件(系统调用消耗，上下文切换）的步骤；
对于监听的sockfd，最好使用水平触发模式（参考nginx），边缘触发模式会导致高并发情况下，有的客户端会连接不上，LT适合处理紧急事件；
对于读写的connfd，水平触发模式下，阻塞和非阻塞效果都一样，不过为了防止特殊情况，还是建议设置非阻塞；
LT的编程与poll/select接近，符合一直以来的习惯，不易出错；

总之，各有优缺点，需要根据业务场景选择最合适的模式。

三、epoll反应堆模型

【epoll模型原来的流程】：

epoll_create(); // 创建监听红黑树
epoll_ctl(); // 向书上添加监听fd
epoll_wait(); // 监听
有监听fd事件发送--->返回监听满足数组--->判断返回数组元素--->
lfd满足accept--->返回cfd---->read()读数据--->write()给客户端回应。

【epoll反应堆模型的流程】：

epoll_create(); // 创建监听红黑树
epoll_ctl(); // 向书上添加监听fd
epoll_wait(); // 监听
有客户端连接上来--->lfd调用acceptconn()--->将cfd挂载到红黑树上监听其读事件--->
epoll_wait()返回cfd--->cfd回调recvdata()--->将cfd摘下来监听写事件--->
epoll_wait()返回cfd--->cfd回调senddata()--->将cfd摘下来监听读事件--->...--->

【Demo】：

#include <stdio.h>#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h>#include <unistd.h>#include <errno.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <time.h>#define MAX_EVENTS 1024 /*监听上限*/
#define BUFLEN  4096    /*缓存区大小*/
#define SERV_PORT 6666  /*端口号*/

void recvdata(int fd,int events,void *arg);
void senddata(int fd,int events,void *arg);

/*描述就绪文件描述符的相关信息*/
struct myevent_s
{
    int fd;             //要监听的文件描述符
    int events;         //对应的监听事件，EPOLLIN和EPLLOUT
    void *arg;          //指向自己结构体指针
    void (*call_back)(int fd,int events,void *arg); //回调函数
    int status;         //是否在监听:1->在红黑树上(监听), 0->不在(不监听)
    char buf[BUFLEN];   
    int len;
    long last_active;   //记录每次加入红黑树 g_efd 的时间值
};

int g_efd;      //全局变量，作为红黑树根
struct myevent_s g_events[MAX_EVENTS+1];    //自定义结构体类型数组. +1-->listen fd

/*
 * 封装一个自定义事件，包括fd，这个fd的回调函数，还有一个额外的参数项
 * 注意：在封装这个事件的时候，为这个事件指明了回调函数，一般来说，一个fd只对一个特定的事件
 * 感兴趣，当这个事件发生的时候，就调用这个回调函数
 */
void eventset(struct myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int fd,int events,void *arg), void *arg)
{
    ev->fd = fd;
    ev->call_back = call_back;
    ev->events = 0;
    ev->arg = arg;
    ev->status = 0;
    if(ev->len <= 0)
    {
        memset(ev->buf, 0, sizeof(ev->buf));
        ev->len = 0;
    }
    ev->last_active = time(NULL); //调用eventset函数的时间
    return;
}

/* 向 epoll监听的红黑树 添加一个文件描述符 */
void eventadd(int efd, int events, struct myevent_s *ev)
{
    struct epoll_event epv={0, {0}};
    int op = 0;
    epv.data.ptr = ev; // ptr指向一个结构体（之前的epoll模型红黑树上挂载的是文件描述符cfd和lfd，现在是ptr指针）
    epv.events = ev->events = events; //EPOLLIN 或 EPOLLOUT
    if(ev->status == 0)       //status 说明文件描述符是否在红黑树上 0不在，1 在
    {
        op = EPOLL_CTL_ADD; //将其加入红黑树 g_efd, 并将status置1
        ev->status = 1;
    }
    if(epoll_ctl(efd, op, ev->fd, &epv) < 0) // 添加一个节点
        printf("event add failed [fd=%d],events[%d]\n", ev->fd, events);
    else
        printf("event add OK [fd=%d],events[%0X]\n", ev->fd, events);
    return;
}

/* 从epoll 监听的 红黑树中删除一个文件描述符*/
void eventdel(int efd,struct myevent_s *ev)
{
    struct epoll_event epv = {0, {0}};
    if(ev->status != 1) //如果fd没有添加到监听树上，就不用删除，直接返回
        return;
    epv.data.ptr = NULL;
    ev->status = 0;
    epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);
    return;
}

/*  当有文件描述符就绪, epoll返回, 调用该函数与客户端建立链接 */
void acceptconn(int lfd,int events,void *arg)
{
    struct sockaddr_in cin;
    socklen_t len = sizeof(cin);
    int cfd, i;
    if((cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cin, &len)) == -1)
    {
        if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)
        {
            sleep(1);
        }
        printf("%s:accept,%s\n",__func__, strerror(errno));
        return;
    }
    do
    {
        for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++) //从全局数组g_events中找一个空闲元素，类似于select中找值为-1的元素
        {
            if(g_events[i].status ==0)
                break;
        }
        if(i == MAX_EVENTS) // 超出连接数上限
        {
            printf("%s: max connect limit[%d]\n", __func__, MAX_EVENTS);
            break;
        }
        int flag = 0;
        if((flag = fcntl(cfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0) //将cfd也设置为非阻塞
        {
            printf("%s: fcntl nonblocking failed, %s\n", __func__, strerror(errno));
            break;
        }
        eventset(&g_events[i], cfd, recvdata, &g_events[i]); //找到合适的节点之后，将其添加到监听树中，并监听读事件
        eventadd(g_efd, EPOLLIN, &g_events[i]);
    }while(0);

    printf("new connect[%s:%d],[time:%ld],pos[%d]",inet_ntoa(cin.sin_addr), ntohs(cin.sin_port), g_events[i].last_active, i);
    return;
}

/*读取客户端发过来的数据的函数*/
void recvdata(int fd, int events, void *arg)
{
    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)arg;
    int len;

    len = recv(fd, ev->buf, sizeof(ev->buf), 0);    //读取客户端发过来的数据

    eventdel(g_efd, ev);                            //将该节点从红黑树上摘除

    if (len > 0) 
    {
        ev->len = len;
        ev->buf[len] = '\0';                        //手动添加字符串结束标记
        printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buf);                  

        eventset(ev, fd, senddata, ev);             //设置该fd对应的回调函数为senddata    
        eventadd(g_efd, EPOLLOUT, ev);              //将fd加入红黑树g_efd中,监听其写事件    

    } 
    else if (len == 0) 
    {
        close(ev->fd);
        /* ev-g_events 地址相减得到偏移元素位置 */
        printf("[fd=%d] pos[%ld], closed\n", fd, ev-g_events);
    } 
    else 
    {
        close(ev->fd);
        printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno));
    }   
    return;
}

/*发送给客户端数据*/
void senddata(int fd, int events, void *arg)
{
    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)arg;
    int len;

    len = send(fd, ev->buf, ev->len, 0);    //直接将数据回射给客户端

    eventdel(g_efd, ev);                    //从红黑树g_efd中移除

    if (len > 0) 
    {
        printf("send[fd=%d], [%d]%s\n", fd, len, ev->buf);
        eventset(ev, fd, recvdata, ev);     //将该fd的回调函数改为recvdata
        eventadd(g_efd, EPOLLIN, ev);       //重新添加到红黑树上，设为监听读事件
    }
    else 
    {
        close(ev->fd);                      //关闭链接
        printf("send[fd=%d] error %s\n", fd, strerror(errno));
    }
    return ;
}

/*创建 socket, 初始化lfd */

void initlistensocket(int efd, short port)
{
    struct sockaddr_in sin;

    int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    fcntl(lfd, F_SETFL, O_NONBLOCK);                //将socket设为非阻塞

    memset(&sin, 0, sizeof(sin));               //bzero(&sin, sizeof(sin))
    sin.sin_family = AF_INET;
    sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    sin.sin_port = htons(port);

    bind(lfd, (struct sockaddr *)&sin, sizeof(sin));

    listen(lfd, 20);

    /* void eventset(struct myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void *), void *arg);  */
    eventset(&g_events[MAX_EVENTS], lfd, acceptconn, &g_events[MAX_EVENTS]);    

    /* void eventadd(int efd, int events, struct myevent_s *ev) */
    eventadd(efd, EPOLLIN, &g_events[MAX_EVENTS]);  //将lfd添加到监听树上，监听读事件

    return;
}

int main()
{
    int port=SERV_PORT;

    g_efd = epoll_create(MAX_EVENTS + 1); //创建红黑树,返回给全局 g_efd
    if(g_efd <= 0)
            printf("create efd in %s err %s\n", __func__, strerror(errno));

    initlistensocket(g_efd, port); //初始化监听socket

    struct epoll_event events[MAX_EVENTS + 1];  //定义这个结构体数组，用来接收epoll_wait传出的满足监听事件的fd结构体
    printf("server running:port[%d]\n", port);

    int checkpos = 0;
    int i;
    while(1)
    {
    /*    long now = time(NULL);
        for(i=0; i < 100; i++, checkpos++)
        {
            if(checkpos == MAX_EVENTS);
                checkpos = 0;
            if(g_events[checkpos].status != 1)
                continue;
            long duration = now -g_events[checkpos].last_active;
            if(duration >= 60)
            {
                close(g_events[checkpos].fd);
                printf("[fd=%d] timeout\n", g_events[checkpos].fd);
                eventdel(g_efd, &g_events[checkpos]);
            }
        } */
        //调用eppoll_wait等待接入的客户端事件,epoll_wait传出的是满足监听条件的那些fd的struct epoll_event类型
        int nfd = epoll_wait(g_efd, events, MAX_EVENTS+1, 1000);
        if (nfd < 0)
        {
            printf("epoll_wait error, exit\n");
            exit(-1);
        }
        for(i = 0; i < nfd; i++)
        {
            //evtAdd()函数中，添加到监听树中监听事件的时候将myevents_t结构体类型给了ptr指针
            //这里epoll_wait返回的时候，同样会返回对应fd的myevents_t类型的指针
            struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)events[i].data.ptr;
            //如果监听的是读事件，并返回的是读事件
            if((events[i].events & EPOLLIN) &&(ev->events & EPOLLIN))
            {
                ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
            }
            //如果监听的是写事件，并返回的是写事件
            if((events[i].events & EPOLLOUT) && (ev->events & EPOLLOUT))
            {
                ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
            }
        }
    }
    return 0;
}

最后学习epoll一些建议

需要深入理解epoll LT和ET方式下的读写差别，怎么优雅地处理各种错误；
需要关注多线程负载均衡，惊群效应等问题，要用 epoll 实现负载均衡并且避免数据竞争，必须掌握好 EPOLLONESHOT 和 EPOLLEXCLUSIVE 这两个标志；
理解epoll不足之处：

1.定时的精度不够，只到5ms级别，select可以到0.1ms；

2.当连接数少并且连接都十分活跃的情况下，select和poll的性能可能比epoll好；

3.epoll_ctrl每次只能够修改一个fd（kevent可以一次改多个，每次修改，epoll需要一个系统调用，不能 batch 操作，可能会影响性能）。

4.可能会在定时到期之前返回，导致还需要下一个epoll_wait调用。