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一篇文章让你真正搞懂epoll机制

转载自 物联网心球

epoll简介​

  • epoll是Linux内核为处理大批量文件描述符而作了改进的poll，它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。

  • epoll可以理解为event poll，它是一种事件驱动的I/O模型，可以用来替代传统的select和poll模型。epoll的优势在于它可以同时处理大量的文件描述符，而且不会随着文件描述符数量的增加而降低效率。

  • epoll的实现机制是通过内核与用户空间共享一个事件表，这个事件表中存放着所有需要监控的文件描述符以及它们的状态，当文件描述符的状态发生变化时，内核会将这个事件通知给用户空间，用户空间再根据事件类型进行相应的处理。

  • epoll的接口和工作模式相对于select和poll更加简单易用，因此在高并发场景下被广泛使用。

epoll实现原理​

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socket等待队列​

  • socket等待队列用于在socket接收到数据后添加就绪epoll事件节点和唤醒eventpoll等待队列项。

  • socket收到数据后，唤醒socket等待队列项，并执行等待队列项注册的回调函数ep_poll_callback，ep_poll_callback函数将就绪epoll事件节点添加至就绪队列，并唤醒eventpoll等待队列项。

eventpoll等待队列​

  • eventpoll等待队列用于阻塞当前进程，用于epoll_wait未检测到就绪epoll事件节点的情况。

  • epoll_wait检测就绪队列是否有epoll事件节点，没有epoll事件节点，则使用等待队列将当前进程挂起，后续ep_poll_callback函数会唤醒当前进程。

就绪队列​

  • 就绪队列用于存储就绪epoll事件节点，用户通过epoll_wait函数获取就绪epoll事件节点。

红黑树​

  • 红黑树用于存储通过epoll_ctl函数注册的epoll事件节点。

创建epoll文件​

epoll_create​

int epoll_create(int size);

  • 功能：epoll_create函数用于创建epoll文件。

  • 参数：

    • size：目前内核还没有实际使用，只要大于0就行。

  • 返回值：

    • 成功：返回epoll文件描述符。

    • 失败：返回-1，并设置errno。

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增加，删除，修改epoll事件​

epoll_ctl​

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

  • 功能：epoll_ctl函数用于增加，删除，修改epoll事件，epoll事件会存储于内核epoll结构体红黑树中。

  • 参数：

    • epfd：epoll文件描述符。

    • op：操作码

      • EPOLL_CTL_ADD：插入事件

      • EPOLL_CTL_DEL：删除事件

      • EPOLL_CTL_MOD：修改事件

    • fd：epoll事件绑定的套接字文件描述符。

    • events：epoll事件结构体。

  • 返回值：

    • 成功：返回0。

    • 失败：返回-1，并设置errno。

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struct epoll_event结构体​

struct epoll_event{
    uint32_t events; //epoll事件，参考事件列表 
    epoll_data_t data;
} ;

typedef union epoll_data { 
    void *ptr; 
    int fd; //套接字文件描述符
    uint32_t u32; 
    uint64_t u64;
} epoll_data_t;

epoll事件列表​

enum EPOLL_EVENTS {
  EPOLLIN = 0x001, 	//socket可读。
  EPOLLPRI = 0x002, 	//socket有紧急数据。
  EPOLLOUT = 0x004, 	//socket可写。
  EPOLLRDNORM = 0x040,
  EPOLLRDBAND = 0x080,
  EPOLLWRNORM = 0x100,
  EPOLLWRBAND = 0x200,
  EPOLLMSG = 0x400,
  EPOLLERR = 0x008, 		//socket文件出错。
  EPOLLHUP = 0x010, 		//socket文件被挂起。
  EPOLLRDHUP = 0x2000, 		//socket文件被关闭或者关闭读端。
  EPOLLEXCLUSIVE = 1u << 28,
  EPOLLWAKEUP = 1u << 29,
  EPOLLONESHOT = 1u << 30, 	//单次模式，执行完epoll_wait后需重新调用epoll_ctl注册事件。
  EPOLLET = 1u << 31 		//边缘触发，默认为水平触发。
 };

epoll事件如何处理？​

  • epoll事件处理原则：epoll_wait获取epoll事件 = 注册epoll事件 & 就绪epoll事件

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  • epoll_ctl函数增加epoll事件时，系统默认注册EPOLLERR和EPOLLHUP事件。

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epoll事件处理示例​

  • 注册epoll事件
struct epoll_event ev;
ev.data.fd = sock_fd;
ev.events = EPOLLIN; //注册EPOLLIN事件
epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, sock_fd, &ev);
  • 就绪epoll事件
res = EPOLLIN | EPOLLRDNORM;
  • epoll_wait获取事件
events = (EPOLLIN|EPOLLERR|EPOLLHUP)&(EPOLLIN|EPOLLRDNORM) = EPOLLIN;
  • ==注意：只有注册的事件才能通过epoll_wait获取。==

epoll事件就绪​

epoll_wait​

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

  • 功能：epoll_wait用于监听epoll事件。

  • 参数：

    • epfd：epoll文件描述符。

    • events：epoll事件数组。

    • maxevents：epoll事件数组长度。

    • timeout：超时时间，

      • 小于0：一直等待。

      • 等于0：立即返回。

      • 大于0：等待超时时间返回，单位毫秒。

  • 返回值：

    • 小于0：出错。

    • 等于0：超时。

    • 大于0：返回就绪事件个数。

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epoll编程流程​

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epoll常见问题？​

问题1：LT模式和ET模式区别？​

  • LT模式又称水平触发，ET模式又称边缘触发。

  • LT模式只不过比ET模式多执行了一个步骤，就是当epoll_wait获取完就绪队列epoll事件后，LT模式会再次将epoll事件添加到就绪队列。

  • LT模式多了这样一个步骤会让LT模式调用epoll_wait时会一直检测到epoll事件，直到socket缓冲区数据清空为止。

  • ET模式则只会在缓冲区满足特定情况下才会触发epoll_wait获取epoll事件。

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  • LT模式和ET模式优缺点

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问题2：epoll为什么高效？​

  • eventpoll等待队列机制，当就绪队列没有epoll事件时主动让出CPU，阻塞进程，提高CPU利用率。

  • socket等待队列机制，只有接收到数据时才会将epoll事件插入就绪队列，唤醒进程获取epoll事件。

  • 红黑树提高epoll事件增加，删除，修改效率。

  • 任务越多，进程出让CPU概率越小，进程工作效率越高，所以epoll非常适合高并发场景。

问题3：epoll采用阻塞方式是否影响性能？​

  • epoll机制本身也是阻塞的，当epoll_wait未检测到epoll事件时，会出让CPU，阻塞进程，这种阻塞是非常有必要的，如果不及时出让CPU会浪费CPU资源，导致其他任务无法抢占CPU，只要epoll机制能够在检测到epoll事件后，及时唤醒进程处理，并不会影响epoll性能。

问题4：socket采用阻塞还是非阻塞？​

  • socket采用非阻塞方式。

  • epoll机制属于IO多路复用机制，这种机制的特点是一个进程处理多路IO请求，如果socket设置成阻塞模式会存在以下几个问题：

    • 一个进程同一时间只能处理一个socket数据，如果socket被阻塞，那么该进程无法处理其他的socket数据，严重影响了性能。

    • 阻塞的本质是进程状态和上下文的切换，频繁的阻塞会把让CPU一直处于上下文切换的状态，导致CPU瞎忙。