IO 多路复用 epoll(I) 解释
网络通信中socket有自己的内核发送缓冲区和内核接受缓冲区,好比是一个水池,
当用户发送数据的时候会从用户缓冲区拷贝到socket的内核发送缓冲区,然后从
socket发送缓冲区发出去, 当用户要读取数据时,就是从socket内核读缓冲区读
到用户缓冲区。所以TCP中recv, send, read, write等函数并不是真的直接读写
发送报文,而是将数据分别写到socket内核缓冲区,或者从socket内核缓冲区读
到用户区。
对于读有两种状态,可读和不可读,当用户从socket中读取数据的时候,如果socket
读缓冲区内容为空,那么读数据会失败,阻塞情况下会等待数据到来,非阻塞情况下
会返回一个EWOULDBLOCK 或者EAGAIN,反之如果读缓冲区内容不为空,那么就会
返回读到的字节数。
对于用户向socket中写数据,存在可写和不可写,如果socket写缓冲区内容满了,此时
向socket写缓冲区里写数据会失败,阻塞情况下会等待socket的写缓冲区非满(有空闲空间),
非阻塞情况下回返回-1,根据errono 为EWOULDBLOCK或者EAGAIN,判断写缓冲区满
反之,如果socket写缓冲区此时非满,那么写会成功,返回写入的字节数。
综上所述,对于读的情况,我们关注socket读缓冲区空还是非空,对于写的情况,我们关注
写缓冲区满还是非满。
讲述epoll 的几个参数含义
EPOLLIN:关联文件用来监听读事件
EPOLLOUT:关联文件用来监听写事件
POLLRDNORM,有普通数据可读。
POLLRDBAND,有优先数据可读。
POLLPRI,有紧迫数据可读。
POLLWRNORM,写普通数据不会导致阻塞。
POLLWRBAND,写优先数据不会导致阻塞。
POLLMSG,SIGPOLL消息可用。
此外,还可能返回下列事件:
POLLER,指定的文件描述符发生错误。
POLLHUP,指定的文件描述符挂起事件。
POLLNVAL,指定的文件描述符非法。
EPOLL有两种模式LT(水平触发模式)ET(边缘触发模式)
LT:水平触发 一直触发
1 内核中的socket接受缓冲区不为空,那么有数据可读,一直出发读事件
2 内核中的socket发送缓冲区不满,可以继续写入数据,写事件一直出发
试想一下,如果一开始就关注EPOLLOUT,会是什么情况呢?对于LT模式,由于刚开始socket的发送缓冲区肯定是空的,那么
由于socket的发送缓冲区可以一直写数据,所以写事件会一直触发。正确的做法是,我们向socket中写数据,当返回EAGAIN(socket
发送缓冲区满了)的时候,这个时候如果关注EPOLLOUT,当socket发送缓冲区由满变为非满,会触发写事件。这个时候,就从应用
缓冲区取出数据拷贝到内核缓冲区。如果应用缓冲区的数据已经全部拷贝到内核缓冲区,说明数据全部在socket的发送缓冲区,
就取消EPOLLOUT的关注,如果应用缓冲区还有数据没拷贝完全,就不需要取消对EPOLLOUT的关注。
优点是对于read操作比较简单,只要有read事件就读,读多读少都可以。
缺点是write相关操作较复杂, 由于socket在空闲状态发送缓冲区一定是不满的,
故若socket一直在epoll wait列表中,则epoll会一直通知write事件,
所以必须保证没有数据要发送的时候,要把socket的write事件从epoll wait列表中删除。
而在需要的时候在加入回去,这就是LT模式的最复杂部分。
ET:边沿触发模式
有未就绪变为就绪状态才可触发,比如写事件由缓冲区满变为缓冲区非满,读事件由缓冲区空到非空才触发
1.内核中socket接受缓冲区不为空,那么有数据可读,可以触发读事件,但是对于边缘模式,只触发一次
例如,当listen一个文件描述符,当有很多新的连接连上来的时候,只触发一次。所以要在循环中accept,取出所以新连接上来的socket
例如,当监听的socket有读事件,一定要读完所有的数据,否则之后到来的数据就会被漏掉。解决办法是在循环体内读取数据,
直到读完或者读出的返回值为EAGIN(缓冲区为空)才可以。对于写事件,发送数据,直到发送完或者产生EAGIN(缓冲区为满)
ET模式下,只有socket的状态发生变化时才会通知,也就是读取缓冲区由无数据到有数据时通知read事件,发送缓冲区由满变成未满通知write事件。
缺点是epoll read事件触发时,必须保证socket的读取缓冲区数据全部读完(事实上这个要求很容易达到)
优点:对于write事件,发送缓冲区由满到未满时才会通知,若无数据可写,忽略该事件,若有数据可写,直接写。
当向socket写数据,返回的值小于传入的buffer大小或者write系统调用返回EWouldBlock时,表示发送缓冲区已满。
平时大家使用 epoll 时都知道其事件触发模式有默认的 level-trigger 模式和通过 EPOLLET 启用的 edge-trigger 模式两种。
从 epoll 发展历史来看,它刚诞生时只有 edge-trigger 模式,后来因容易产生 race-cond 且不易被开发者理解,
又增加了 level-trigger 模式并作为默认处理方式。二者的差异在于 level-trigger 模式下只要某个 fd
处于 readable/writable 状态,无论什么时候进行 epoll_wait 都会返回该 fd;
而 edge-trigger 模式下只有某个 fd 从 unreadable 变为 readable 或从 unwritable 变为 writable 时,
epoll_wait 才会返回该 fd。
然后我们来说说epoll几个函数
epoll的接口非常简单,一共就三个函数:
1 int epoll_create(int size);
创建一个epoll句柄,size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。size为最大监听数量+1,因为创建好epoll句柄后,他就会占用一个fd值,
在linux下如果查看/proc/进程/id/fd/,能看到这个fd,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,先注册想要监听的事件类型,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:
typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
__uint32_t u32;
__uint64_t u64;
} epoll_data_t;
struct epoll_event {
__uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};
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。
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 tiemout);
等待事件产生,参数events用来从内核中得到事件的集合,maxevents告知内核这个events有多大,这个maxevents的值不能大于创建epoll_create()
的size,参数timeout是超时时间,毫秒,0表示立即返回,-1会永久阻塞。该函数返回需要处理的事件数目,如果返回0,表示已超时。
下面我查阅相关资料,仿照别人写了一个类似的epoll demo代码,这个是LT的,下一篇写ET的
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>
#define ERR_EXIT(m) \
do \
{ \
perror(m); \
exit(EXIT_FAILURE); \
} while(0)
//先定义一个类型,epoll_event连续的存储空间,可以是数组,也可以是vector
//当然也可以malloc一块连续内存 (struct epoll_event *)malloc(n * sizeof(struct epoll_event));
typedef std::vector<struct epoll_event> EventList;
int main()
{
//打开一个空的描述符
int idlefd = open("/dev/null",O_RDONLY|O_CLOEXEC);
//生成listen描述符
int listenfd = socket(PF_INET, SOCK_CLOEXEC | SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK, IPPROTO_TCP);
if(listenfd < 0)
{
ERR_EXIT("socketfd");
}
//初始化地址信息
struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr,0 ,sizeof(struct sockaddr_in));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(6666);
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
int on = 1;
if (setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on)) < 0)
ERR_EXIT("setsockopt");
if(bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)))
ERR_EXIT("bindError");
if (listen(listenfd, SOMAXCONN) < 0)
ERR_EXIT("listen");
//记录客户端连接对应的socket
std::vector<int> clients;
//创建epollfd, 用于管理epoll事件表
int epollfd;
epollfd = epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC);
struct epoll_event event;
event.data.fd = listenfd;
event.events = EPOLLIN;
//将listenfd加入到epollfd管理的表里
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &event);
//创建长度为16的epoll_event队列
EventList events(16);
//用于接收新连接的客户端地址
struct sockaddr_in peeraddr;
socklen_t peerlen;
int connfd;
int nready;
while(1)
{
nready = epoll_wait(epollfd, &*events.begin(), static_cast<int>(events.size()), -1);
if (nready == -1)
{
if (errno == EINTR)
continue;
ERR_EXIT("epoll_wait");
}
if (nready == 0) // nothing happended
continue;
//大小不够了就重新开辟
if ((size_t)nready == events.size())
events.resize(events.size()*2);
for (int i = 0; i < nready; ++i)
{
//判断wait返回的events数组状态是否正常
if ((events[i].events & EPOLLERR) ||
(events[i].events & EPOLLHUP) ||
(!(events[i].events & EPOLLIN)))
{
fprintf (stderr, "epoll error\n");
close (events[i].data.fd);
continue;
}
if (events[i].data.fd == listenfd)
{
peerlen = sizeof(peeraddr);
//LT模式accept不用放在while循环里
connfd = ::accept4(listenfd, (struct sockaddr*)&peeraddr,
&peerlen, SOCK_NONBLOCK | SOCK_CLOEXEC);
//accept失败,判断是否是文件描述符达到上限
if (connfd == -1)
{
if (errno == EMFILE)
{
//关闭之前打开的描述符,重新accept,然后关闭这个accept得到的描述符,
//因为LT模式,如果socket读缓冲区有数据一直读取失败会造成busyloop
close(idlefd);
idlefd = accept(listenfd, NULL, NULL);
close(idlefd);
idlefd = open("/dev/null", O_RDONLY | O_CLOEXEC);
continue;
}
else
ERR_EXIT("accept4");
}
std::cout<<"ip="<<inet_ntoa(peeraddr.sin_addr)<<
" port="<<ntohs(peeraddr.sin_port)<<std::endl;
clients.push_back(connfd);
//将connd加入epoll表里,关注读事件
event.data.fd = connfd;
event.events = EPOLLIN ;
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &event);
}
else if (events[i].events & EPOLLIN)
{
connfd = events[i].data.fd;
if (connfd < 0)
continue;
char buf[1024] = {0};
int ret = read(connfd, buf, 1024);
if (ret == -1)
//ERR_EXIT("read");
{
if((errno == EAGAIN) ||
(errno == EWOULDBLOCK))
{
//由于内核缓冲区空了,下次再读,
//这个是LT模式不需要重新加入EPOLLIN事件,下次还会通知
continue;
}
ERR_EXIT("read");
}
if (ret == 0)
{
std::cout<<"client close"<<std::endl;
close(connfd);
event = events[i];
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, connfd, &event);
clients.erase(std::remove(clients.begin(), clients.end(), connfd), clients.end());
continue;
}
//
std::cout<<buf;
write(connfd, buf, strlen(buf));
}
else //写事件
if(events[i].events & EPOLLOUT)
{
connfd = events[i].data.fd;
char buf[512];
int count = write(events[i].data.fd, buf, strlen(buf));
if(count == -1)
{
if((errno == EAGAIN) ||
(errno == EWOULDBLOCK))
{
//由于内核缓冲区满了,下次再写,
//这个是LT模式不需要重新加入EPOLLOUT事件
continue;
}
ERR_EXIT("write");
}
//写完要记得从epoll内核中删除,因为LT模式写缓冲区不满就会触发EPOLLOUT事件,防止busyloop
event.data.fd = connfd;
event.events = EPOLLOUT;
epoll_ctl (epollfd, EPOLL_CTL_DEL, events[i].data.fd, &event);
//close 操作会将events[i].data.fd从epoll表里删除,所以上面的操作可以不写
//close(events[i].data.fd); 此处是关闭了和客户端的连接,不关闭也可以,只和策划需求有关
}
}
}
return 0;
}
好了,这就是epoll 的LT模式,demo源代码下载地址 http://download.****.net/detail/secondtonone1/9484752。
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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; } 二、epoll在LT和ET模式下的读写方式 在一个非阻塞的socket上调用read/write函数, 返回EAGAIN或者EWOULDBLOCK(注: EAGAIN就是EWOULDBLOCK) 从字面上看, 意思是: * EAGAIN: 再试一次 * EWOULDBLOCK: 如果这是一个阻塞socket, 操作将被block * perror输出: Resource temporarily unavailable 总结: 这个错误表示资源暂时不够, 可能read时, 读缓冲区没有数据, 或者, write时,写缓冲区满了 。 遇到这种情况, 如果是阻塞socket, read/write就要阻塞掉。 而如果是非阻塞socket, read/write立即返回-1, 同 时errno设置为EAGAIN. 所以, 对于阻塞socket, read/write返回-1代表网络出错了. 但对于非阻塞socket, read/write返回-1不一定网络真的出错了. 可能是Resource temporarily unavailable. 这时你应该再试, 直到Resource available. 综上, 对于non-blocking的socket, 正确的读写操作为: 读: 忽略掉errno = EAGAIN的错误, 下次继续读 写: 忽略掉errno = EAGAIN的错误, 下次继续写 对于select和epoll的LT模式, 这种读写方式是没有问题的. 但对于epoll的ET模式, 这种方式还有漏洞. epoll的两种模式 LT 和 ET
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