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EPOLL 原理详解和 EPOLL 反应器模型

最编程 2024-04-22 17:29:43
...

文章目录
一、epoll原理详解
二、epoll的两种触发模式
三、epoll反应堆模型
  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：

1 int epoll_create(int size);  
2 int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);  
3 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：

1 struct eventpoll {
2 ...
3 /*红黑树的根节点，这棵树中存储着所有添加到epoll中的事件，
4 也就是这个epoll监控的事件*/
5 struct rb_root rbr;
6 /*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*/
7 struct list_head rdllist;
8 ...
9 };

  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：

 1 struct epitem {
 2 ...
 3 //红黑树节点
 4 struct rb_node rbn;
 5 //双向链表节点
 6 struct list_head rdllink;
 7 //事件句柄等信息
 8 struct epoll_filefd ffd;
 9 //指向其所属的eventepoll对象
10 struct eventpoll *ep;
11 //期待的事件类型
12 struct epoll_event event;
13 ...
14 }; // 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EPOLLET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；

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。

三、epoll反应堆模型
【epoll模型原来的流程】：

1 epoll_create(); // 创建监听红黑树
2 epoll_ctl(); // 向书上添加监听fd
3 epoll_wait(); // 监听
4 有监听fd事件发送--->返回监听满足数组--->判断返回数组元素--->
5 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】：

1 epoll_create(); // 创建监听红黑树
2 epoll_ctl(); // 向书上添加监听fd
3 epoll_wait(); // 监听
4 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--->
5 epoll_wait()返回cfd--->cfd回调recvdata()--->将cfd摘下来监听写事件--->
6 epoll_wait()返回cfd--->cfd回调senddata()--->将cfd摘下来监听读事件--->...--->

 

 【Demo】：

  1 #include <stdio.h>
  2 #include <sys/socket.h>
  3 #include <sys/epoll.h>
  4 #include <arpa/inet.h>
  5 #include <fcntl.h>
  6 #include <unistd.h>
  7 #include <errno.h>
  8 #include <string.h>
  9 #include <stdlib.h>
 10 #include <time.h>
 11 
 12 #define MAX_EVENTS 1024 /*监听上限*/
 13 #define BUFLEN  4096    /*缓存区大小*/
 14 #define SERV_PORT 6666  /*端口号*/
 15 
 16 void recvdata(int fd,int events,void *arg);
 17 void senddata(int fd,int events,void *arg);
 18 
 19 /*描述就绪文件描述符的相关信息*/
 20 struct myevent_s
 21 {
 22     int fd;             //要监听的文件描述符
 23     int events;         //对应的监听事件，EPOLLIN和EPLLOUT
 24     void *arg;          //指向自己结构体指针
 25     void (*call_back)(int fd,int events,void *arg); //回调函数
 26     int status;         //是否在监听:1->在红黑树上(监听), 0->不在(不监听)
 27     char buf[BUFLEN];   
 28     int len;
 29     long last_active;   //记录每次加入红黑树 g_efd 的时间值
 30 };
 31 
 32 int g_efd;      //全局变量，作为红黑树根
 33 struct myevent_s g_events[MAX_EVENTS+1];    //自定义结构体类型数组. +1-->listen fd
 34 
 35 
 36 /*
 37  * 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
 38  * 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
 39  * 感兴趣，当这个事件发生的时候，就调用这个回调函数
 40  */
 41 void eventset(struct myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int fd,int events,void *arg), void *arg)
 42 {
 43     ev->fd = fd;
 44     ev->call_back = call_back;
 45     ev->events = 0;
 46     ev->arg = arg;
 47     ev->status = 0;
 48     if(ev->len <= 0)
 49     {
 50         memset(ev->buf, 0, sizeof(ev->buf));
 51         ev->len = 0;
 52     }
 53     ev->last_active = time(NULL); //调用eventset函数的时间
 54     return;
 55 }
 56 
 57 /* 向 epoll监听的红黑树 添加一个文件描述符 */
 58 void eventadd(int efd, int events, struct myevent_s *ev)
 59 {
 60     struct epoll_event epv={0, {0}};
 61     int op = 0;
 62     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）
 63     epv.events = ev->events = events; //EPOLLIN 或 EPOLLOUT
 64     if(ev->status == 0)       //status 说明文件描述符是否在红黑树上 0不在，1 在
 65     {
 66         op = EPOLL_CTL_ADD; //将其加入红黑树 g_efd, 并将status置1
 67         ev->status = 1;
 68     }
 69     if(epoll_ctl(efd, op, ev->fd, &epv) < 0) // 添加一个节点
 70         printf("event add failed [fd=%d],events[%d]\n", ev->fd, events);
 71     else
 72         printf("event add OK [fd=%d],events[%0X]\n", ev->fd, events);
 73     return;
 74 }
 75 
 76 /* 从epoll 监听的 红黑树中删除一个文件描述符*/
 77 void eventdel(int efd,struct myevent_s *ev)
 78 {
 79     struct epoll_event epv = {0, {0}};
 80     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
 81         return;
 82     epv.data.ptr = NULL;
 83     ev->status = 0;
 84     epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);
 85     return;
 86 }
 87 
 88 /*  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 */
 89 void acceptconn(int lfd,int events,void *arg)
 90 {
 91     struct sockaddr_in cin;
 92     socklen_t len = sizeof(cin);
 93     int cfd, i;
 94     if((cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cin, &len)) == -1)
 95     {
 96         if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)
 97         {
 98             sleep(1);
 99         }
100         printf("%s:accept,%s\n",__func__, strerror(errno));
101         return;
102     }
103     do
104     {
105         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
106         {
107             if(g_events[i].status ==0)
108                 break;
109         }
110         if(i == MAX_EVENTS) // 超出连接数上限
111         {
112             printf("%s: max connect limit[%d]\n", __func__, MAX_EVENTS);
113             break;
114         }
115         int flag = 0;
116         if((flag = fcntl(cfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0) //将cfd也设置为非阻塞
117         {
118             printf("%s: fcntl nonblocking failed, %s\n", __func__, strerror(errno));
119             break;
120         }
121         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
122         eventadd(g_efd, EPOLLIN, &g_events[i]);
123     }while(0);
124 
125     printf("new connect[%s:%d],[time:%ld],pos[%d]",inet_ntoa(cin.sin_addr), ntohs(cin.sin_port), g_events[i].last_active, i);
126     return;
127 }
128 
129 /*读取客户端发过来的数据的函数*/
130 void recvdata(int fd, int events, void *arg)
131 {
132     struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)arg;
133     int len;
134 
135     len = recv(fd, ev->buf, sizeof(ev->buf), 0);    //读取客户端发过来的数据
136 
137     eventdel(g_efd, ev);                            //将该节点从红黑树上摘除
138 
139     if (len > 0) 
140     {
141         ev->len = len;
142         ev->buf[len] = '\0';                        //手动添加字符串结束标记
143         printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buf);                  
144 
145         eventset(ev, fd, senddata, ev);             //设置该fd对应的回调函数为senddata    
146         eventadd(g_efd, EPOLLOUT, ev);              //将fd加入红黑树g_efd中,监听其写事件    
147 
148     } 
149     else if (len == 0) 
150     {
151         close(ev->fd);
152         /* ev-g_events 地址相减得到偏移元素位置 */
153         printf("[fd=%d] pos[%ld], closed\n", fd, ev-g_events);
154     } 
155     else 
156     {
157         close(ev->fd);
158         printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno));
159     }   
160     return;
161 }
162 
163 /*发送给客户端数据*/
164 void senddata(int fd, int events, void *arg)
165 {
166     struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)arg;
167     int len;
168 
169     len = send(fd, ev->buf, ev->len, 0);    //直接将数据回射给客户端
170 
171     eventdel(g_efd, ev);                    //从红黑树g_efd中移除
172 
173     if (len > 0) 
174     {
175         printf("send[fd=%d], [%d]%s\n", fd, len, ev->buf);
176         eventset(ev, fd, recvdata, ev);     //将该fd的回调函数改为recvdata
177         eventadd(g_efd, EPOLLIN, ev);       //重新添加到红黑树上，设为监听读事件
178     }
179     else 
180     {
181         close(ev->fd);                      //关闭链接
182         printf("send[fd=%d] error %s\n", fd, strerror(errno));
183     }
184     return ;
185 }
186 
187 /*创建 socket, 初始化lfd */
188 
189 void initlistensocket(int efd, short port)
190 {
191     struct sockaddr_in sin;
192 
193     int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
194     fcntl(lfd, F_SETFL, O_NONBLOCK);                //将socket设为非阻塞
195 
196     memset(&sin, 0, sizeof(sin));               //bzero(&sin, sizeof(sin))
197     sin.sin_family = AF_INET;
198     sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
199     sin.sin_port = htons(port);
200 
201     bind(lfd, (struct sockaddr *)&sin, sizeof(sin));
202 
203     listen(lfd, 20);
204 
205     /* void eventset(struct myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void *), void *arg);  */
206     eventset(&g_events[MAX_EVENTS], lfd, acceptconn, &g_events[MAX_EVENTS]);    
207 
208     /* void eventadd(int efd, int events, struct myevent_s *ev) */
209     eventadd(efd, EPOLLIN, &g_events[MAX_EVENTS]);  //将lfd添加到监听树上，监听读事件
210 
211     return;
212 }
213 
214 int main()
215 {
216     int port=SERV_PORT;
217 
218     g_efd = epoll_create(MAX_EVENTS + 1); //创建红黑树,返回给全局 g_efd
219     if(g_efd <= 0)
220             printf("create efd in %s err %s\n", __func__, strerror(errno));
221     
222     initlistensocket(g_efd, port); //初始化监听socket
223     
224     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
225     printf("server running:port[%d]\n", port);
226 
227     int checkpos = 0;
228     int i;
229     while(1)
230     {
231     /*    long now = time(NULL);
232         for(i=0; i < 100; i++, checkpos++)
233         {
234             if(checkpos == MAX_EVENTS);
235                 checkpos = 0;
236             if(g_events[checkpos].status != 1)
237                 continue;
238             long duration = now -g_events[checkpos].last_active;
239             if(duration >= 60)
240             {
241                 close(g_events[checkpos].fd);
242                 printf("[fd=%d] timeout\n", g_events[checkpos].fd);
243                 eventdel(g_efd, &g_events[checkpos]);
244             }
245         } */
246         //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
247         int nfd = epoll_wait(g_efd, events, MAX_EVENTS+1, 1000);
248         if (nfd < 0)
249         {
250             printf("epoll_wait error, exit\n");
251             exit(-1);
252         }
253         for(i = 0; i < nfd; i++)
254         {
255             //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
256             //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
257             struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)events[i].data.ptr;
258             //如果监听的是读事件，并返回的是读事件
259             if((events[i].events & EPOLLIN) &&(ev->events & EPOLLIN))
260             {
261                 ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
262             }
263             //如果监听的是写事件，并返回的是写事件
264             if((events[i].events & EPOLLOUT) && (ev->events & EPOLLOUT))
265             {
266                 ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
267             }
268         }
269     }
270     return 0;
271 }

 

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