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epoll用于高并发网络编程，优于select

智云科技 发布于 2022年7月15日 评论关闭 阅读(220)

本文便来介绍epoll的实现机制，并附带讲解一下select和poll。通过对比其不同的实现机制，真正理解为何epoll能实现高并发。

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select()和poll() IO多路复用模型

  • select的缺点：
  1. 单个进程能够监视的 文件描述符 的数量存在最大限制，通常是1024，当然可以更改数量，但由于select采用轮询的方式扫描文件描述符，文件描述符数量越多，性能越差；(在linux内核头文件posix_types.h中，有这样的定义：#define __FD_SETSIZE 1024)。相比于select，epoll最大的好处在于它不会随着监听fd数目的增长而降低效率。
  2. 内核 / 用户空间内存拷贝问题，select需要复制大量的句柄数据结构，产生巨大的开销；
  3. select返回的是含有整个句柄的数组，应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件；
  4. select的触发方式是水平触发，应用程序如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行IO操作，那么之后每次select调用还是会将这些文件描述符通知进程。

相比select模型，poll使用链表保存文件描述符，因此没有了监视文件数量的限制，但其他三个缺点依然存在。

拿select模型为例，假设我们的服务器需要支持100万的并发连接，则在__FD_SETSIZE 为1024的情况下，则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。除了进程间上下文切换的时间消耗外，从内核/用户空间大量的无脑内存拷贝、数组轮询等，是系统难以承受的。因此，基于select模型的服务器程序，要达到10万级别的并发访问，是一个很难完成的任务。

因此，该epoll上场了。

epoll IO多路复用模型实现机制

由于epoll的实现机制与select/poll机制完全不同，上面所说的 select的缺点在epoll上不复存在。

设想一下如下场景：有100万个客户端同时与一个服务器进程保持着TCP连接。而每一时刻，通常只有几百上千个TCP连接是活跃的(事实上大部分场景都是这种情况)。如何实现这样的高并发？

在select/poll时代，服务器进程每次都把这100万个连接告诉操作系统(从用户态复制句柄数据结构到内核态)，让操作系统内核去查询这些套接字上是否有事件发生，轮询完后，再将句柄数据复制到用户态，让服务器应用程序轮询处理已发生的网络事件，这一过程资源消耗较大，因此，select/poll一般只能处理几千的并发连接。

epoll的设计和实现与select完全不同。epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统(文件系统一般用什么数据结构实现？B+树)。把原先的select/poll调用分成了3个部分：

  • 1）调用epoll_create()建立一个epoll对象

int epfd = epoll_create(int size); 创建一个epoll的句柄(epoll专用的文件描述符)，size就是你在这个epoll fd上能关注的最大 SOCKET fd数。这个参数不同于select()中的第一个参数，被出最大监听的fd+1的值(每次有个麻烦就是要先比较寻找到这个最大的fd)。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）调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接的套接字

函数声明：int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event) 该函数用于控制某个epoll文件描述符上的事件，可以注册事件，修改事件，删除事件。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。 参数： epfd：由 epoll_create 生成的epoll专用的文件描述符； op：要进行的操作例如注册事件，可能的取值EPOLL_CTL_ADD 注册、EPOLL_CTL_MOD 修 改、EPOLL_CTL_DEL 删除 fd：需要监听的fd文件描述符。每调用一次这个函数，只操作一个fd，所以如果要监听很多个fd，也要循环这个函数添加所有的fd，这个与select类似。 event：指向epoll_event的指针,告诉内核需要监听什么事件； 如果调用成功返回0,不成功返回-1。

  • structepoll_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： 触发该事件，表示对应的文件描述符上有可读数据。(包括对端SOCKET正常关闭)；
EPOLLOUT：触发该事件，表示对应的文件描述符上可以写数据；
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。

编程实例： 

 struct epoll_event ev;
//设置与要处理的事件相关的文件描述符
ev.data.fd = listenfd;
//设置要处理的事件类型
ev.events = EPOLLIN|EPOLLET;
//注册epoll事件
epoll_ctl( epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev);
  • 3）调用epoll_wait收集发生的事件的连接

如此一来，要实现上面说是的场景，只需要在进程启动时建立一个epoll对象，然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同时，epoll_wait的效率也非常高，因为调用epoll_wait时，并没有一股脑的向操作系统复制这100万个连接的句柄数据，内核也不需要去遍历全部的连接。

  • 函数原型：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告知内核这个events有多大(数组成员的个数)，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。
    返回的事件集合在events数组中，数组中实际存放的成员个数是函数的返回值。返回0表示已经超时。

epoll_wait运行的原理是: 等待注册在epfd上的socket fd的事件的发生，如果发生则将发生的sokct fd和事件类型放入到events数组中。 并 且将注册在epfd上的socket fd的事件类型被清空，所以如果下一个循环你还要关注这个socket fd的话，则需要用epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,listenfd,&ev)来重新设置socket fd的事件类型。这时不用EPOLL_CTL_ADD,因为socket fd并未清空，只是事件类型清空。这一步非常重要。

下面来看一个服务器实例

  • 关于ET、LT两种工作模式,可以得出这样的结论: ET模式仅当状态发生变化的时候才获得通知,这里所谓的状态的变化并不包括缓冲区中还有未处理的数据,也就是说,如果要采用ET模式,需要一直read/write直到出错为止,很多人反映为什么采用ET模式只接收了一部分数据就再也得不到通知了,大多因为这样;而LT模式是只要有数据没有处理就会一直通知下去的.
  • 那么究竟如何来使用epoll呢？其实非常简单。 通过在包含一个头文件# include <sys/epoll.h> 以及几个简单的API将可以大大的提高你的网络服务器的支持人数。
  • 首先通过create_epoll(int maxfds)来创建一个epoll的句柄，其中maxfds为你epoll所支持的最大句柄数。这个函数会返回一个新的epoll句柄，之后的所有操作将通过这个句柄来进行操作。在用完之后，记得用close()来关闭这个创建出来的epoll句柄。
  • 之后在你的网络主循环里面，每一帧的调用epoll_wait(int epfd, epoll_event events, int max events, int timeout)来查询所有的网络接口，看哪一个可以读，哪一个可以写了。基本的语法为： nfds = epoll_wait(epfd, events, maxevents, -1); 其中epfd为用epoll_create创建之后的句柄，events是一个epoll_event*的指针，当epoll_wait这个函数操作成功之后，epoll_events里面将储存所有的读写事件。max_events是当前需要监听的所有socket句柄数。最后一个timeout是 epoll_wait的超时，为0的时候表示马上返回，为-1的时候表示一直等下去，直到有事件范围，为任意正整数的时候表示等这么长的时间，如果一直没有事件，则返回。一般如果网络主循环是单独的线程的话，可以用-1来等，这样可以保证一些效率，如果是和主逻辑在同一个线程的话，则可以用0来保证主循环的效率。

epoll_wait调用返回之后应该是一个循环，遍利所有的事件。 几乎所有的epoll程序都使用下面的框架：（与select函数调用返回后思路一致） 

     for( ; ; )
    {
        nfds = epoll_wait(epfd,events,20,500);
        for(i=0;i<nfds;++i)
        {
            if(events[i].data.fd==listenfd) //有新的连接
            {
                connfd =  accept (listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen); //accept这个连接
                ev.data.fd=connfd;
                ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev); //将新的fd添加到epoll的监听队列中
            }
            else if( events[i].events&EPOLLIN ) //接收到数据，读socket
            {
                n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0    //读
                ev.data.ptr = md;     //md为自定义类型，添加数据
                ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET;
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);//修改标识符，等待下一个循环时发送数据，异步处理的精髓
            }
            else if(events[i].events&EPOLLOUT) //有数据待发送，写socket
            {
                struct myepoll_data* md = (myepoll_data*)events[i].data.ptr;    //取数据
                sockfd = md->fd;
                send( sockfd, md->ptr, strlen((char*)md->ptr), 0 );        //发送数据
                ev.data.fd=sockfd;
                ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev); //修改标识符，等待下一个循环时接收数据
            }
            else
            {
                //其他的处理
            }
        }
    }

下面给出一个完整的服务器端例子： 

 #include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>

using namespace std;

#define MAXLINE 5
#define OPEN_MAX 100
#define LISTENQ 20
#define SERV_PORT 5000
#define INFTIM 1000

void setnonblocking(int sock)
{
    int opts;
    opts=fcntl(sock,F_GETFL);
    if(opts<0)
    {
        perror("fcntl(sock,GETFL)");
        exit(1);
    }
    opts = opts|O_NONBLOCK;
    if(fcntl(sock,F_SETFL,opts)<0)
    {
        perror("fcntl(sock,SETFL,opts)");
        exit(1);
    }
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    int i, maxi, listenfd, connfd, sockfd,epfd,nfds, portnumber;
    ssize_t n;
    char line[MAXLINE];
    socklen_t clilen;


    if ( 2 == argc )
    {
        if( (portnumber = atoi(argv[1])) < 0 )
        {
            fprintf(stderr,"Usage:%s portnumber/a/n",argv[0]);
            return 1;
        }
    }
    else
    {
        fprintf(stderr,"Usage:%s portnumber/a/n",argv[0]);
        return 1;
    }



    //声明epoll_event结构体的变量,ev用于注册事件,数组用于回传要处理的事件

    struct epoll_event ev,events[20];
    //生成用于处理accept的epoll专用的文件描述符

    epfd=epoll_create(256);
    struct sockaddr_in clientaddr;
    struct sockaddr_in serveraddr;
    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    //把socket设置为非阻塞方式

    //setnonblocking(listenfd);

    //设置与要处理的事件相关的文件描述符

    ev.data.fd=listenfd;
    //设置要处理的事件类型

    ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
    //ev.events=EPOLLIN;

    //注册epoll事件

    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);
    bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr));
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    char *local_addr="127.0.0.1";
    inet_aton(local_addr,&(serveraddr.sin_addr));//htons(portnumber);

    serveraddr.sin_port=htons(portnumber);
    bind(listenfd,(sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr));
    listen(listenfd, LISTENQ);
    maxi = 0;
    for ( ; ; ) {
        //等待epoll事件的发生

        nfds=epoll_wait(epfd,events,20,500);
        //处理所发生的所有事件

        for(i=0;i<nfds;++i)
        {
            if(events[i].data.fd==listenfd)
            {
                //如果新监测到一个SOCKET用户连接到了绑定的SOCKET端口，建立新的连接。
                connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen);
                if(connfd<0){
                    perror("connfd<0");
                    exit(1);
                }
                //setnonblocking(connfd);

                char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr);
                 cout  << "accapt a connection from " << str << endl;
                //设置用于读操作的文件描述符

                ev.data.fd=connfd;
                //设置用于注测的读操作事件

                ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
                //ev.events=EPOLLIN;

                //注册ev

                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev);
            }
            else if(events[i].events&EPOLLIN)

            {
                //如果是已经连接的用户，并且收到数据，那么进行读入。
                cout << "EPOLLIN" << endl;
                if ( (sockfd = events[i].data.fd) < 0)
                    continue;
                if ( (n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0) {
                    if (errno == ECONNRESET) {
                        close(sockfd);
                        events[i].data.fd = -1;
                    } else
                        std::cout<<"readline error"<<std::endl;
                } else if (n == 0) {
                    close(sockfd);
                    events[i].data.fd = -1;
                }
                line[n] = '/0';
                cout << "read " << line << endl;
                //设置用于写操作的文件描述符

                ev.data.fd=sockfd;
                //设置用于注测的写操作事件

                ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET;
                //修改sockfd上要处理的事件为EPOLLOUT

                //epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);

            }
            else if(events[i].events&EPOLLOUT) // 如果有数据发送

            {
                sockfd = events[i].data.fd;
                write(sockfd, line, n);
                //设置用于读操作的文件描述符

                ev.data.fd=sockfd;
                //设置用于注测的读操作事件

                ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
                //修改sockfd上要处理的事件为EPOLIN

                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);
            }
        }
    }
    return 0;
}

客户端直接连接到这个服务器就好了

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文章来源：智云一二三科技

文章标题：epoll用于高并发网络编程，优于select

文章地址：https://www.zhihuclub.com/101939.shtml

关于作者: 智云科技

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