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Linux下的I/O复用与epoll详解
前言
I/O多路复用有很多种实现。在linux上，2.4内核前主要是select和poll，自Linux 2.6内核正式引入epoll以来，epoll已经成为了目前实现高性能网络服务器的必备技术。尽管他们的使用方法不尽相同，但是本质上却没有什么区别。本文将重点探讨将放在EPOLL的实现与使用详解。
为什么会是EPOLL
select的缺陷
1 /linux/posix_types.h:2 3 #define __FD_SETSIZE 1024
图 1.主流I/O复用机制的benchmark
epoll高效的奥秘
epoll精巧的使用了3个方法来实现select方法要做的事：
- 新建epoll描述符==epoll_create()
- epoll_ctrl(epoll描述符，添加或者删除所有待监控的连接)
- 返回的活跃连接 ==epoll_wait（ epoll描述符 ）
要深刻理解epoll，首先得了解epoll的三大关键要素：mmap、红黑树、链表。
epoll是通过内核与用户空间mmap同一块内存实现的。mmap将用户空间的一块地址和内核空间的一块地址同时映射到相同的一块物理内存地址（不管是用户空间还是内核空间都是虚拟地址，最终要通过地址映射映射到物理地址），使得这块物理内存对内核和对用户均可见，减少用户态和内核态之间的数据交换。
epoll上就是相当减少了epoll监听的句柄从用户态copy到内核态，内核可以直接看到epoll监听的句柄，效率高。
红黑树将存储epoll所监听的套接字。上面mmap出来的内存如何保存epoll所监听的套接字，必然也得有一套数据结构，epoll在实现上采用红黑树去存储所有套接字，当添加或者删除一个套接字时（epoll_ctl），都在红黑树上去处理，红黑树本身插入和删除性能比较好，时间复杂度O(lgN)。
下面几个关键数据结构的定义
1 struct epitem 2 { 3 struct rb_node rbn; //用于主结构管理的红黑树 4 struct list_head rdllink; //事件就绪队列 5 struct epitem *next; //用于主结构体中的链表 6 struct epoll_filefd ffd; //每个fd生成的一个结构 7 int nwait; 8 struct list_head pwqlist; //poll等待队列 9 struct eventpoll *ep; //该项属于哪个主结构体10 struct list_head fllink; //链接fd对应的file链表11 struct epoll_event event; //注册的感兴趣的事件,也就是用户空间的epoll_event12 }
1 struct eventpoll 2 { 3 spin_lock_t lock; //对本数据结构的访问 4 struct mutex mtx; //防止使用时被删除 5 wait_queue_head_t wq; //sys_epoll_wait() 使用的等待队列 6 wait_queue_head_t poll_wait; //file->poll()使用的等待队列 7 struct list_head rdllist; //事件满足条件的链表 8 struct rb_root rbr; //用于管理所有fd的红黑树 9 struct epitem *ovflist; //将事件到达的fd进行链接起来发送至用户空间10 }
添加以及返回事件
通过epoll_ctl函数添加进来的事件都会被放在红黑树的某个节点内，所以，重复添加是没有用的。当把事件添加进来的时候时候会完成关键的一步，那就是该事件都会与相应的设备（网卡）驱动程序建立回调关系，当相应的事件发生后，就会调用这个回调函数，该回调函数在内核中被称为：ep_poll_callback,这个回调函数其实就所把这个事件添加到rdlist这个双向链表中。一旦有事件发生，epoll就会将该事件添加到双向链表中。那么当我们调用epoll_wait时，epoll_wait只需要检查rdlist双向链表中是否有存在注册的事件，效率非常可观。这里也需要将发生了的事件复制到用户态内存中即可。
epoll_wait的工作流程：
- epoll_wait调用ep_poll，当rdlist为空（无就绪fd）时挂起当前进程，直到rdlist不空时进程才被唤醒。
- 文件fd状态改变（buffer由不可读变为可读或由不可写变为可写），导致相应fd上的回调函数ep_poll_callback()被调用。
- ep_poll_callback将相应fd对应epitem加入rdlist，导致rdlist不空，进程被唤醒，epoll_wait得以继续执行。
- ep_events_transfer函数将rdlist中的epitem拷贝到txlist中，并将rdlist清空。
- ep_send_events函数（很关键），它扫描txlist中的每个epitem，调用其关联fd对用的poll方法。此时对poll的调用仅仅是取得fd上较新的events（防止之前events被更新），之后将取得的events和相应的fd发送到用户空间（封装在struct epoll_event，从epoll_wait返回）。
小结
表 1. select、poll和epoll三种I/O复用模式的比较（ 摘录自《linux高性能服务器编程》）
系统调用 | select | poll | epoll |
事件集合 | 用哦过户通过3个参数分别传入感兴趣的可读，可写及异常等事件 内核通过对这些参数的在线修改来反馈其中的就绪事件 这使得用户每次调用select都要重置这3个参数 | 统一处理所有事件类型，因此只需要一个事件集参数。 用户通过pollfd.events传入感兴趣的事件，内核通过 修改pollfd.revents反馈其中就绪的事件 | 内核通过一个事件表直接管理用户感兴趣的所有事件。 因此每次调用epoll_wait时，无需反复传入用户感兴趣 的事件。epoll_wait系统调用的参数events仅用来反馈就绪的事件 |
应用程序索引就绪文件 描述符的时间复杂度 | O(n) | O(n) | O(1) |
最大支持文件描述符数 | 一般有最大值限制 | 65535 | 65535 |
工作模式 | LT | LT | 支持ET高效模式 |
| 内核实现和工作效率 | 采用轮询方式检测就绪事件，时间复杂度：O(n) | 采用轮询方式检测就绪事件，时间复杂度：O(n) | 采用回调方式检测就绪事件，时间复杂度：O(1) |
行文至此，想必各位都应该已经明了为什么epoll会成为Linux平台下实现高性能网络服务器的首选I/O复用调用。
需要注意的是：epoll并不是在所有的应用场景都会比select和poll高很多。尤其是当活动连接比较多的时候，回调函数被触发得过于频繁的时候，epoll的效率也会受到显著影响！所以，epoll特别适用于连接数量多，但活动连接较少的情况。
接下来，笔者将介绍一下epoll使用方式的注意点。
EPOLL的使用
文件描述符的创建
1 #include <sys/epoll.h>2 int epoll_create ( int size );
在epoll早期的实现中，对于监控文件描述符的组织并不是使用红黑树，而是hash表。这里的size实际上已经没有意义。
注册监控事件
1 #include <sys/epoll.h>2 int epoll_ctl ( int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event );
1 struct epoll_event2 {3 __unit32_t events; // epoll事件4 epoll_data_t data; // 用户数据 5 };
1 typedef union epoll_data2 {3 void* ptr; //指定与fd相关的用户数据 4 int fd; //指定事件所从属的目标文件描述符 5 uint32_t u32;6 uint64_t u64;7 } epoll_data_t;
epoll_wait函数
1 #include <sys/epoll.h>2 int epoll_wait ( int epfd, struct epoll_event* events, int maxevents, int timeout );
EPOLLONESHOT事件
LT与ET模式
在这里，笔者强烈推荐《彻底学会使用epoll》系列博文，这是笔者看过的，对epoll的ET和LT模式讲解最为详尽和易懂的博文。下面的实例均来自该系列博文。限于篇幅原因，很多关键的细节，不能完全摘录。
话不多说，直接上代码。
程序一：
1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <sys/epoll.h> 4 5 int main(void) 6 { 7 int epfd,nfds; 8 struct epoll_event ev,events[5]; //ev用于注册事件，数组用于返回要处理的事件 9 epfd = epoll_create(1); //只需要监听一个描述符——标准输入10 ev.data.fd = STDIN_FILENO;11 ev.events = EPOLLIN|EPOLLET; //监听读状态同时设置ET模式12 epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, STDIN_FILENO, &ev); //注册epoll事件13 for(;;)14 {15 nfds = epoll_wait(epfd, events, 5, -1);16 for(int i = 0; i < nfds; i++)17 {18 if(events[i].data.fd==STDIN_FILENO)19 printf("Something happened with stdin!\n");20 }21 }22 }
编译并运行，结果如下：
- 当用户输入一组字符，这组字符被送入buffer，字符停留在buffer中，又因为buffer由空变为不空，所以ET返回读就绪，输出”welcome to epoll‘s world！”。
- 之后程序再次执行epoll_wait，此时虽然buffer中有内容可读，但是根据我们上节的分析，ET并不返回就绪，导致epoll_wait阻塞。（底层原因是ET下就绪fd的epitem只被放入rdlist一次）。
- 用户再次输入一组字符，导致buffer中的内容增多，根据我们上节的分析这将导致fd状态的改变，是对应的epitem再次加入rdlist，从而使epoll_wait返回读就绪，再次输出“Welcome to epoll‘s world！”。
接下来我们将上面程序的第11行做如下修改：
1 ev.events=EPOLLIN; //默认使用LT模式
编译并运行，结果如下：
程序陷入死循环，因为用户输入任意数据后，数据被送入buffer且没有被读出，所以LT模式下每次epoll_wait都认为buffer可读返回读就绪。导致每次都会输出”welcome to epoll‘s world！”。
程序二：
1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <sys/epoll.h> 4 5 int main(void) 6 { 7 int epfd,nfds; 8 struct epoll_event ev,events[5]; //ev用于注册事件，数组用于返回要处理的事件 9 epfd = epoll_create(1); //只需要监听一个描述符——标准输入10 ev.data.fd = STDIN_FILENO;11 ev.events = EPOLLIN; //监听读状态同时设置LT模式12 epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, STDIN_FILENO, &ev); //注册epoll事件13 for(;;)14 {15 nfds = epoll_wait(epfd, events, 5, -1);16 for(int i = 0; i < nfds; i++)17 {18 if(events[i].data.fd==STDIN_FILENO)19 {20 char buf[1024] = {0};21 read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));22 printf("welcome to epoll‘s word!\n");23 } 24 }25 }26 }
编译并运行，结果如下：
本程序依然使用LT模式，但是每次epoll_wait返回读就绪的时候我们都将buffer（缓冲）中的内容read出来，所以导致buffer再次清空，下次调用epoll_wait就会阻塞。所以能够实现我们所想要的功能——当用户从控制台有任何输入操作时，输出”welcome to epoll‘s world！”
程序三：
1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <sys/epoll.h> 4 5 int main(void) 6 { 7 int epfd,nfds; 8 struct epoll_event ev,events[5]; //ev用于注册事件，数组用于返回要处理的事件 9 epfd = epoll_create(1); //只需要监听一个描述符——标准输入10 ev.data.fd = STDIN_FILENO;11 ev.events = EPOLLIN|EPOLLET; //监听读状态同时设置ET模式12 epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, STDIN_FILENO, &ev); //注册epoll事件13 for(;;)14 {15 nfds = epoll_wait(epfd, events, 5, -1);16 for(int i = 0; i < nfds; i++)17 {18 if(events[i].data.fd==STDIN_FILENO)19 {20 printf("welcome to epoll‘s word!\n");21 ev.data.fd = STDIN_FILENO;22 ev.events = EPOLLIN|EPOLLET; //设置ET模式23 epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, STDIN_FILENO, &ev); //重置epoll事件（ADD无效）24 } 25 }26 }27 }
编译并运行，结果如下：
程序依然使用ET，但是每次读就绪后都主动的再次MOD IN事件，我们发现程序再次出现死循环，也就是每次返回读就绪。但是注意，如果我们将MOD改为ADD，将不会产生任何影响。别忘了每次ADD一个描述符都会在epitem组成的红黑树中添加一个项，我们之前已经ADD过一次，再次ADD将阻止添加，所以在次调用ADD IN事件不会有任何影响。
程序四：
1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <sys/epoll.h> 4 5 int main(void) 6 { 7 int epfd,nfds; 8 struct epoll_event ev,events[5]; //ev用于注册事件，数组用于返回要处理的事件 9 epfd = epoll_create(1); //只需要监听一个描述符——标准输入10 ev.data.fd = STDOUT_FILENO;11 ev.events = EPOLLOUT|EPOLLET; //监听读状态同时设置ET模式12 epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, STDOUT_FILENO, &ev); //注册epoll事件13 for(;;)14 {15 nfds = epoll_wait(epfd, events, 5, -1);16 for(int i = 0; i < nfds; i++)17 {18 if(events[i].data.fd==STDOUT_FILENO)19 {20 printf("welcome to epoll‘s word!\n");21 } 22 }23 }24 }
编译并运行，结果如下：
这个程序的功能是只要标准输出写就绪，就输出“welcome to epoll‘s world”。我们发现这将是一个死循环。下面具体分析一下这个程序的执行过程：
- 首先初始buffer为空，buffer中有空间可写，这时无论是ET还是LT都会将对应的epitem加入rdlist，导致epoll_wait就返回写就绪。
- 程序想标准输出输出”welcome to epoll‘s world”和换行符，因为标准输出为控制台的时候缓冲是“行缓冲”,所以换行符导致buffer中的内容清空，这就对应第二节中ET模式下写就绪的第二种情况——当有旧数据被发送走时，即buffer中待写的内容变少得时候会触发fd状态的改变。所以下次epoll_wait会返回写就绪。如此循环往复。
程序五：
1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <sys/epoll.h> 4 5 int main(void) 6 { 7 int epfd,nfds; 8 struct epoll_event ev,events[5]; //ev用于注册事件，数组用于返回要处理的事件 9 epfd = epoll_create(1); //只需要监听一个描述符——标准输入10 ev.data.fd = STDOUT_FILENO;11 ev.events = EPOLLOUT|EPOLLET; //监听读状态同时设置ET模式12 epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, STDOUT_FILENO, &ev); //注册epoll事件13 for(;;)14 {15 nfds = epoll_wait(epfd, events, 5, -1);16 for(int i = 0; i < nfds; i++)17 {18 if(events[i].data.fd==STDOUT_FILENO)19 {20 printf("welcome to epoll‘s word!");21 } 22 }23 }24 }
编译并运行，结果如下：
与程序四相比，程序五只是将输出语句的printf的换行符移除。我们看到程序成挂起状态。因为第一次epoll_wait返回写就绪后，程序向标准输出的buffer中写入“welcome to epoll‘s world！”，但是因为没有输出换行，所以buffer中的内容一直存在，下次epoll_wait的时候，虽然有写空间但是ET模式下不再返回写就绪。回忆第一节关于ET的实现，这种情况原因就是第一次buffer为空，导致epitem加入rdlist，返回一次就绪后移除此epitem，之后虽然buffer仍然可写，但是由于对应epitem已经不再rdlist中，就不会对其就绪fd的events的在检测了。
程序六：
1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <sys/epoll.h> 4 5 int main(void) 6 { 7 int epfd,nfds; 8 struct epoll_event ev,events[5]; //ev用于注册事件，数组用于返回要处理的事件 9 epfd = epoll_create(1); //只需要监听一个描述符——标准输入10 ev.data.fd = STDOUT_FILENO;11 ev.events = EPOLLOUT; //监听读状态同时设置LT模式12 epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, STDOUT_FILENO, &ev); //注册epoll事件13 for(;;)14 {15 nfds = epoll_wait(epfd, events, 5, -1);16 for(int i = 0; i < nfds; i++)17 {18 if(events[i].data.fd==STDOUT_FILENO)19 {20 printf("welcome to epoll‘s word!");21 } 22 }23 }24 }
编译并运行，结果如下：
程序六相对程序五仅仅是修改ET模式为默认的LT模式，我们发现程序再次死循环。这时候原因已经很清楚了，因为当向buffer写入”welcome to epoll‘s world！”后，虽然buffer没有输出清空，但是LT模式下只有buffer有写空间就返回写就绪，所以会一直输出”welcome to epoll‘s world！”,当buffer满的时候，buffer会自动刷清输出，同样会造成epoll_wait返回写就绪。
程序七：
1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <sys/epoll.h> 4 5 int main(void) 6 { 7 int epfd,nfds; 8 struct epoll_event ev,events[5]; //ev用于注册事件，数组用于返回要处理的事件 9 epfd = epoll_create(1); //只需要监听一个描述符——标准输入10 ev.data.fd = STDOUT_FILENO;11 ev.events = EPOLLOUT|EPOLLET; //监听读状态同时设置LT模式12 epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, STDOUT_FILENO, &ev); //注册epoll事件13 for(;;)14 {15 nfds = epoll_wait(epfd, events, 5, -1);16 for(int i = 0; i < nfds; i++)17 {18 if(events[i].data.fd==STDOUT_FILENO)19 {20 printf("welcome to epoll‘s word!");21 ev.data.fd = STDOUT_FILENO;22 ev.events = EPOLLOUT|EPOLLET; //设置ET模式23 epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, STDOUT_FILENO, &ev); //重置epoll事件（ADD无效）24 } 25 }26 }27 }
编译并运行，结果如下：
程序七相对于程序五在每次向标准输出的buffer输出”welcome to epoll‘s world！”后，重新MOD OUT事件。所以相当于每次都会返回就绪，导致程序循环输出。
经过前面的案例分析，我们已经了解到，当epoll工作在ET模式下时，对于读操作，如果read一次没有读尽buffer中的数据，那么下次将得不到读就绪的通知，造成buffer中已有的数据无机会读出，除非有新的数据再次到达。对于写操作，主要是因为ET模式下fd通常为非阻塞造成的一个问题——如何保证将用户要求写的数据写完。
要解决上述两个ET模式下的读写问题，我们必须实现：
- 对于读，只要buffer中还有数据就一直读；
- 对于写，只要buffer还有空间且用户请求写的数据还未写完，就一直写。
ET模式下的accept问题
请思考以下一种场景：在某一时刻，有多个连接同时到达，服务器的 TCP 就绪队列瞬间积累多个就绪连接，由于是边缘触发模式，epoll 只会通知一次，accept 只处理一个连接，导致 TCP 就绪队列中剩下的连接都得不到处理。在这种情形下，我们应该如何有效的处理呢？
解决的方法是：解决办法是用 while 循环抱住 accept 调用，处理完 TCP 就绪队列中的所有连接后再退出循环。如何知道是否处理完就绪队列中的所有连接呢？ accept 返回 -1 并且 errno 设置为 EAGAIN 就表示所有连接都处理完。
关于ET的accept问题，这篇博文的参考价值很高，如果有兴趣，可以链接过去围观一下。
ET模式为什么要设置在非阻塞模式下工作
因为ET模式下的读写需要一直读或写直到出错（对于读，当读到的实际字节数小于请求字节数时就可以停止），而如果你的文件描述符如果不是非阻塞的，那这个一直读或一直写势必会在最后一次阻塞。这样就不能在阻塞在epoll_wait上了，造成其他文件描述符的任务饿死。
epoll的使用实例
这样的实例，网上已经有很多了（包括参考链接），笔者这里就略过了。
小结
LT：水平触发，效率会低于ET触发，尤其在大并发，大流量的情况下。但是LT对代码编写要求比较低，不容易出现问题。LT模式服务编写上的表现是：只要有数据没有被获取，内核就不断通知你，因此不用担心事件丢失的情况。
ET：边缘触发，效率非常高，在并发，大流量的情况下，会比LT少很多epoll的系统调用，因此效率高。但是对编程要求高，需要细致的处理每个请求，否则容易发生丢失事件的情况。
从本质上讲：与LT相比，ET模型是通过减少系统调用来达到提高并行效率的。
总结
epoll使用的梳理与总结到这里就告一段落了。限于篇幅原因，很多细节都被略过了。后面参考给出的链接，强烈推荐阅读。疏谬之处，万望斧正！
参考
《Linux高性能服务器编程》
《彻底学会使用epoll》（系列博文）
《epoll源码分析(全) 》
《linux kernel中epoll的设计和实现》
《poll&&epoll实现分析（二）——epoll实现》