epoll的使用与源码分析

2018-04-25 本文已影响11人爱秋刀鱼的猫

什么是epoll？

epoll是linux中IO多路复用的一种机制，I/O多路复用就是通过一种机制，一个进程可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。IO多路复用的方法，处理有select，poll，epoll。

epoll是为处理大批量句柄而作了改进的poll，被认为Linux下性能最好的多路I/O就绪通知方法。

epoll的相关系统调用
epoll只有epoll_create , epoll_ctl , epoll_wait 3个系统调用。

#创建epoll fd
int epoll_create(int size);

#添加epoll需要监听的事件
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

#收集在epoll监控的事件中已经发送的事件
#当我们调用epoll_wait()获得就绪文件描述符时，返回的不是实际的描述符
#而是一个代表就绪描述符数量的值，
#你只需要去epoll指定的一个数组中依次取得相应数量的文件描述符即可，
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events,
      int maxevents, int timeout);

程序的大体框架：

epoll的工作原理

select/poll 每次调用都要传递所要监控的所有fd给系统调用（这意味着每次调用都要将fd列表从用户态拷贝到内核态，当fd数目很多时，这会造成低效）。

而每次调用epoll_wait时（作用相当于调用select/poll），不需要再传递fd列表给内核，因为已经在epoll_ctl中将需要监控的fd告诉了内核（epoll_ctl不需要每次都拷贝所有的fd，只需要进行增量式操作）。所以，在调用epoll_create之后，内核已经在内核态开始准备数据结构存放要监控的fd了。每次epoll_ctl只是对这个数据结构进行简单的维护。

select/poll一个致命弱点就是当你拥有一个很大的socket集合，不过由于网络延时，任一时间只有部分的socket是"活跃"的，但是select/poll每次调用都会线性扫描全部的集合，导致效率呈现线性下降。但是epoll不存在这个问题，它只会对"活跃"的socket进行操作---这是因为在内核实现中epoll是根据每个fd上面的callback函数实现的。

当我们调用epoll_ctl往里塞入百万个fd时，epoll_wait仍然可以飞快的返回，并有效的将发生事件的fd给我们用户。

这是由于我们在调用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fd外，还会再建立一个list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list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。

而且，通常情况下即使我们要监控百万计的fd，大多一次也只返回很少量的准备就绪fd而已，所以，epoll_wait仅需要从内核态copy少量的fd到用户态而已。那么，这个准备就绪list链表是怎么维护的呢？当我们执行epoll_ctl时，除了把fd放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上之外，还会给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核，如果这个fd的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。所以，当一个fd（例如socket）上有数据到了，内核在把设备（例如网卡）上的数据copy到内核中后就来把fd（socket）插入到准备就绪list链表里了。

epoll比select 和 poll 好在哪里？
1. 支持打开大数目的socket描述符(FD)不同
  
  a. select 方法是通过开辟一个数组来存储和维护fd，这个数组的长度是2048，也就是说select支持的fd是有限的。
  
  b. poll 是通过链表来维护fd的，所有数量上面没有限制。
2. IO效率不随FD数目增加而线性下降
  传统的select/poll另一个致命弱点就是当你拥有一个很大的socket集合，不过由于网络延时，任一时间只有部分的socket是"活跃"的，但是select/poll每次调用都会线性扫描全部的集合，导致效率呈现线性下降。
  
  但是epoll不存在这个问题，它只会对"活跃"的socket进行操作---这是因为在内核实现中epoll是根据每个fd上面的callback函数实现的。那么，只有"活跃"的socket才会主动的去调用 callback函数。
3. 不需要在用户空间和内核空间之间频繁的拷贝fd

epoll源码分析

epoll相关的内核代码在fs/eventpoll.c文件中，下面分别分析epoll_create、epoll_ctl和epoll_wait三个函数在内核中的实现。

# epoll_create用于创建一个epoll的句柄
# 其在内核的系统实现如下：

SYSCALL_DEFINE1(epoll_create, int, size)
{
    if (size <= 0)
        return -EINVAL;

    return sys_epoll_create1(0);
    //我们在调用epoll_create时，
    //传入的size参数，仅仅是用来判断是否小于等于0
    //之后再也没有其他用处。
}

感觉这个人写得更好： https://www.jianshu.com/p/aa486512e989

Epoll的2种工作方式 — 水平触发（LT）和边缘触发（ET）
epoll 的默认模式是水平触发模式，但是也可以设置为边缘触发模式，在边缘触发模式的效率更高。

具体的区别在于：

如上图所示，0表示文件还没有准备好，1表示文件描述符已经准备好了。

如果在水平模式下面，有一个文件描述符从0变成1，那么表示的是这个描述符已经准备就绪了，可以对它进行io操作了。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。

在边缘模式下面，如果这次没有把这个事件对应的套接字缓冲区处理完，在这个套接字中没有新的事件再次到来时，在ET模式下是无法再次从epoll_wait调用中获取这个事件的。

源码

epoll使用的源码放在了Github上：
https://github.com/GreenGitHuber/code_something/tree/master/epoll%2Breactor%E6%A8%A1%E5%BC%8F%E7%9A%84%E6%9C%8D%E5%8A%A1%E5%99%A8

epoll的使用与源码分析

什么是epoll？

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源码

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