kqueue 和 epoll 的高级 IO 模型
- 简介
- block IO和nonblocking IO
- IO多路复用和select
- poll
- epoll
- kqueue
- epoll和kqueue的优势
简介
任何一个程序都离不开IO,有些是很明显的IO,比如文件的读写,也有一些是不明显的IO,比如网络数据的传输等。那么这些IO都有那些模式呢?我们在使用中应该如何选择呢?高级的IO模型kqueue和epoll是怎么工作的呢?一起来看看吧。
block IO和nonblocking IO
大家先来了解一下IO模型中最简单的两个模型:阻塞IO和非阻塞IO。
比如我们有多个线程要从一个Socket server中读取数据,那么这个读取过程其实可以分成两个部分,第一部分是等待socket的数据准备完毕,第二部分是读取对应的数据进行业务处理。对于阻塞IO来说,它的工作流程是这样的:
- 一个线程等待socket通道数据准备完毕。
- 当数据准备完毕之后,线程进行程序处理。
- 其他线程等待第一个线程结束之后,继续上述流程。
为什么叫做阻塞IO呢?这是因为当一个线程正在执行的过程中,其他线程只能等待,也就是说这个IO被阻塞了。
什么叫做非阻塞IO呢?
还是上面的例子,如果在非阻塞IO中它的工作流程是这样的:
- 一个线程尝试读取socket的数据。
- 如果socket中数据没有准备好,那么立即返回。
- 线程继续尝试读取socket的数据。
- 如果socket中的数据准备好了,那么这个线程继续执行后续的程序处理步骤。
为什么叫做非阻塞IO呢?这是因为线程如果查询到socket没有数据,就会立刻返回。并不会将这个socket的IO操作阻塞。
从上面的分析可以看到,虽然非阻塞IO不会阻塞Socket,但是因为它会一直轮询Socket,所以并不会释放Socket。
IO多路复用和select
IO多路复用有很多种模型,select是最为常见的一种。实时不管是netty还是JAVA的NIO使用的都是select模型。
select模型是怎么工作的呢?
事实上select模型和非阻塞IO有点相似,不同的是select模型中有一个单独的线程专门用来检查socket中的数据是否就绪。如果发现数据已经就绪,select可以通过之前注册的事件处理器,选择通知具体的某一个数据处理线程。
这样的好处是虽然select这个线程本身是阻塞的,但是其他用来真正处理数据的线程却是非阻塞的。并且一个select线程其实可以用来监控多个socket连接,从而提高了IO的处理效率,因此select模型被应用在多个场合中。
为了更加详细的了解select的原理,我们来看一下unix下的select方法:
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *errorfds, struct timeval *timeout);
先来解释一下这几个参数的含义,我们知道unix系统中,一切的对象都是文件,所以这里的fd表示的就是file descriptor ,也就是文件描述符。
fds表示的是 file descriptor sets,也就是文件描述符集合。
nfds是一个整数值,表示的是文件描述符集合中最大值+1.
readfds是要检查的文件读取的描述符集合。
writefds是要检查的文件写入的描述符集合。
errorfds是要检查的文件异常描述符集合。
timeout是超时时间,表示的是等待选择完成的最大间隔。
其工作原理是轮询所有的file descriptors,然后找到要监控的那些文件描述符,
poll
poll和select类很类似,只是描述fd集合的方式不同. poll主要是用在POSIX系统中。
epoll
实时上,select和poll虽然都是多路复用IO,但是他们都有些缺点。而epoll和kqueue就是对他们的优化。
epoll是linux系统中的系统命令,可以将其看做是event poll。首次是在linux核心的2.5.44版本引入的。
主要用来监控多个file descriptors其中的IO是否ready。
对于传统的select和poll来说,因为需要不断的遍历所有的file descriptors,所以每一次的select的执行效率是O(n) ,但是对于epoll来说,这个时间可以提升到O(1)。
这是因为epoll会在具体的监控事件发生的时候触发通知,所以不需要使用像select这样的轮询,其效率会更高。
epoll 使用红黑树 (RB-tree) 数据结构来跟踪当前正在监视的所有文件描述符。
epoll有三个api函数:
int epoll_create1(int flags);
用来创建一个epoll对象,并且返回它的file descriptor。传入的flags可以用来控制epoll的表现。
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
这个方法用来对epoll进行控制,可以用来监控具体哪些file descriptor和哪些事件。
这里的op可以是ADD, MODIFY 或者 DELETE。
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
epoll_wait用来监听使用epoll_ctl方法注册的事件。
epoll提供了两种触发模式,分别是 edge-triggered 和 level-triggered。
如果一个使用epoll注册的pipe收到了数据,那么调用epoll_wait将会返回,表示存在要读取的数据。但是在level-triggered模式下,只要管道的缓冲区包含要读取的数据,对 epoll_wait的调用将立即返回。但是在level-triggered模式下,epoll_wait 只会在新数据写入管道后返回。
kqueue
kqueue和epoll一样,都是用来替换select和poll的。不同的是kqueue被用在FreeBSD,NetBSD, OpenBSD, DragonFly BSD, 和 macOS中。
kqueue 不仅能够处理文件描述符事件,还可以用于各种其他通知,例如文件修改监视、信号、异步 I/O 事件 (AIO)、子进程状态更改监视和支持纳秒级分辨率的计时器,此外kqueue提供了一种方式除了内核提供的事件之外,还可以使用用户定义的事件。
kqueue提供了两个API,第一个是构建kqueue:
int kqueue(void);
第二个是创建kevent:
int kevent(int kq, const struct kevent *changelist, int nchanges, struct kevent *eventlist, int nevents, const struct timespec *timeout);
kevent中的第一个参数是要注册的kqueue,changelist是要监视的事件列表,nchanges表示要监听事件的长度,eventlist是kevent返回的事件列表,nevents表示要返回事件列表的长度,最后一个参数是timeout。
除此之外,kqueue还有一个用来初始化kevent结构体的EV_SET宏:
EV_SET(&kev, ident, filter, flags, fflags, data, udata);
epoll和kqueue的优势
epoll和kqueue之所以比select和poll更加高级, 是因为他们充分利用操作系统底层的功能,对于操作系统来说,数据什么时候ready是肯定知道的,通过向操作系统注册对应的事件,可以避免select的轮询操作,提升操作效率。
要注意的是,epoll和kqueue需要底层操作系统的支持,在使用的时候一定要注意对应的native libraries支持。
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epoll简介及触发模式(accept、read、send)-epoll的简单介绍 epoll在LT和ET模式下的读写方式 一、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的句柄,size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。这个参数不同于select中的第一个参数,给出最大监听的fd+1的值。需要注意的是,当创建好epoll句柄后,它就是会占用一个fd值,在linux下如果查看/proc/进程id/fd/,是能够看到这个fd的,所以在使用完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,它不同与select是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件,而是在这里先注册要监听的事件类型。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: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); EPOLLIN事件:EPOLLIN事件则只有当对端有数据写入时才会触发,所以触发一次后需要不断读取所有数据直到读完EAGAIN为止。否则剩下的数据只有在下次对端有写入时才能一起取出来了。现在明白为什么说epoll必须要求异步socket了吧?如果同步socket,而且要求读完所有数据,那么最终就会在堵死在阻塞里。 EPOLLOUT:表示对应的文件描述符可以写; EPOLLOUT事件:EPOLLOUT事件只有在连接时触发一次,表示可写,其他时候想要触发,那要先准备好下面条件:1.某次write,写满了发送缓冲区,返回错误码为EAGAIN。2.对端读取了一些数据,又重新可写了,此时会触发EPOLLOUT。简单地说:EPOLLOUT事件只有在不可写到可写的转变时刻,才会触发一次,所以叫边缘触发,这叫法没错的!其实,如果真的想强制触发一次,也是有办法的,直接调用epoll_ctl重新设置一下event就可以了,event跟原来的设置一模一样都行(但必须包含EPOLLOUT),关键是重新设置,就会马上触发一次EPOLLOUT事件。1. 缓冲区由满变空.2.同时注册EPOLLIN | EPOLLOUT事件,也会触发一次EPOLLOUT事件这个两个也会触发EPOLLOUT事件 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 timeout);等待事件的产生,类似于select调用。参数events用来从内核得到事件的集合,maxevents告之内核这个events有多大,这个maxevents的值不能大于创建epoll_create时的size,参数timeout是超时时间(毫秒,0会立即返回,-1将不确定,也有说法说是永久阻塞)。该函数返回需要处理的事件数目,如返回0表示已超时。-------------------------------------------------------------------------------------------- 从man手册中,得到ET和LT的具体描述如下EPOLL事件有两种模型:Edge Triggered (ET)Level Triggered (LT)假如有这样一个例子:1. 我们已经把一个用来从管道中读取数据的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符2. 这个时候从管道的另一端被写入了2KB的数据3. 调用epoll_wait(2),并且它会返回RFD,说明它已经准备好读取操作4. 然后我们读取了1KB的数据5. 调用epoll_wait(2)......Edge Triggered 工作模式:如果我们在第1步将RFD添加到epoll描述符的时候使用了EPOLLET标志,那么在第5步调用epoll_wait(2)之后将有可能会挂起,因为剩余的数据还存在于文件的输入缓冲区内,而且数据发出端还在等待一个针对已经发出数据的反馈信息。只有在监视的文件句柄上发生了某个事件的时候 ET 工作模式才会汇报事件。因此在第5步的时候,调用者可能会放弃等待仍在存在于文件输入缓冲区内的剩余数据。在上面的例子中,会有一个事件产生在RFD句柄上,因为在第2步执行了一个写操作,然后,事件将会在第3步被销毁。因为第4步的读取操作没有读空文件输入缓冲区内的数据,因此我们在第5步调用 epoll_wait(2)完成后,是否挂起是不确定的。epoll工作在ET模式的时候,必须使用非阻塞套接口,以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。最好以下面的方式调用ET模式的epoll接口,在后面会介绍避免可能的缺陷。 i 基于非阻塞文件句柄 ii 只有当read(2)或者write(2)返回EAGAIN时才需要挂起,等待。但这并不是说每次read时都需要循环读,直到读到产生一个EAGAIN才认为此次事件处理完成,当read返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时,就可以确定此时缓冲中已没有数据了,也就可以认为此事读事件已处理完成。Level Triggered 工作模式相反的,以LT方式调用epoll接口的时候,它就相当于一个速度比较快的poll(2),并且无论后面的数据是否被使用,因此他们具有同样的职能。因为即使使用ET模式的epoll,在收到多个chunk的数据的时候仍然会产生多个事件。调用者可以设定EPOLLONESHOT标志,在 epoll_wait(2)收到事件后epoll会与事件关联的文件句柄从epoll描述符中禁止掉。因此当EPOLLONESHOT设定后,使用带有 EPOLL_CTL_MOD标志的epoll_ctl(2)处理文件句柄就成为调用者必须作的事情。然后详细解释ET, LT:LT(level triggered)是缺省的工作方式,并且同时支持block和no-block socket.在这种做法中,内核告诉你一个文件描述符是否就绪了,然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作,内核还是会继续通知你的,所以,这种模式编程出错误可能性要小一点。传统的select/poll都是这种模型的代表.ET(edge-triggered)是高速工作方式,只支持no-block socket。在这种模式下,当描述符从未就绪变为就绪时,内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪,并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知,直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了(比如,你在发送,接收或者接收请求,或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK 错误)。但是请注意,如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪),内核不会发送更多的通知(only once),不过在TCP协议中,ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark确认(这句话不理解)。在许多测试中我们会看到如果没有大量的idle -connection或者dead-connection,epoll的效率并不会比select/poll高很多,但是当我们遇到大量的idle- connection(例如WAN环境中存在大量的慢速连接),就会发现epoll的效率大大高于select/poll。(未测试)另外,当使用epoll的ET模型来工作时,当产生了一个EPOLLIN事件后,读数据的时候需要考虑的是当recv返回的大小如果等于请求的大小,那么很有可能是缓冲区还有数据未读完,也意味着该次事件还没有处理完,所以还需要再次读取: 这里只是说明思路(参考《UNIX网络编程》) while(rs) {buflen = recv(activeevents[i].data.fd, buf, sizeof(buf), 0);if(buflen < 0){// 由于是非阻塞的模式,所以当errno为EAGAIN时,表示当前缓冲区已无数据可读// 在这里就当作是该次事件已处理处.if(errno == EAGAIN)break; 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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