Linux Epoll介绍和程序实例

2012/12/30 15:17
阅读数 377

Linux Epoll介绍和程序实例

1. Epoll 是何方神圣?

Epoll 可是当前在 Linux 下开发大规模并发网络程序的热门人选, Epoll  Linux2.6 内核中正式引入,和 select相似,其实都 I/O 多路复用技术而已 ,并没有什么神秘的。

其实在 Linux 下设计并发网络程序,向来不缺少方法,比如典型的 Apache 模型( Process Per Connection ,简称 PPC ), TPC  Thread Per Connection )模型,以及 select 模型和 poll 模型,那为何还要再引入 Epoll 这个东东呢?那还是有得说说的 

2. 常用模型的缺点

如果不摆出来其他模型的缺点,怎么能对比出 Epoll 的优点呢。

2.1 PPC/TPC 模型

这两种模型思想类似,就是让每一个到来的连接一边自己做事去,别再来烦我 。只是 PPC 是为它开了一个进程,而 TPC 开了一个线程。可是别烦我是有代价的,它要时间和空间啊,连接多了之后,那么多的进程 / 线程切换,这开销就上来了;因此这类模型能接受的最大连接数都不会高,一般在几百个左右。

2.2 select 模型

1. 最大并发数限制,因为一个进程所打开的 FD (文件描述符)是有限制的,由 FD_SETSIZE 设置,默认值是1024/2048 ,因此 Select 模型的最大并发数就被相应限制了。自己改改这个 FD_SETSIZE ?想法虽好,可是先看看下面吧 

2. 效率问题, select 每次调用都会线性扫描全部的 FD 集合,这样效率就会呈现线性下降,把 FD_SETSIZE 改大的后果就是,大家都慢慢来,什么?都超时了??!!

3. 内核 / 用户空间 内存拷贝问题,如何让内核把 FD 消息通知给用户空间呢?在这个问题上 select 采取了内存拷贝方法。

2.3 poll 模型

基本上效率和 select 是相同的, select 缺点的 2  3 它都没有改掉。

3. Epoll 的提升

把其他模型逐个批判了一下,再来看看 Epoll 的改进之处吧,其实把 select 的缺点反过来那就是 Epoll 的优点了。

3.1. Epoll 没有最大并发连接的限制,上限是最大可以打开文件的数目,这个数字一般远大于 2048, 一般来说这个数目和系统内存关系很大 ,具体数目可以 cat /proc/sys/fs/file-max 察看。

3.2. 效率提升, Epoll 最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接 ,而跟连接总数无关,因此在实际的网络环境中, Epoll 的效率就会远远高于 select  poll 

3.3. 内存拷贝, Epoll 在这点上使用了“共享内存 ”,这个内存拷贝也省略了。

 

4. Epoll 为什么高效

Epoll 的高效和其数据结构的设计是密不可分的,这个下面就会提到。

首先回忆一下 select 模型,当有 I/O 事件到来时, select 通知应用程序有事件到了快去处理,而应用程序必须轮询所有的 FD 集合,测试每个 FD 是否有事件发生,并处理事件;代码像下面这样:


int res = select(maxfd+1, &readfds, NULL, NULL, 120);

if (res > 0)

{

    for (int i = 0; i < MAX_CONNECTION; i++)

    {

        if (FD_ISSET(allConnection[i], &readfds))

        {

            handleEvent(allConnection[i]);

        }

    }

}

// if(res == 0) handle timeout, res < 0 handle error

 

Epoll 不仅会告诉应用程序有I/0 事件到来,还会告诉应用程序相关的信息,这些信息是应用程序填充的,因此根据这些信息应用程序就能直接定位到事件,而不必遍历整个FD 集合。

int res = epoll_wait(epfd, events, 20, 120);

for (int i = 0; i < res;i++)

{

    handleEvent(events[n]);

}

5. Epoll 关键数据结构

前面提到 Epoll 速度快和其数据结构密不可分,其关键数据结构就是:

struct epoll_event {

    __uint32_t events;      // Epoll events

    epoll_data_t data;      // User data variable

};

typedef union epoll_data {

    void *ptr;

    int fd;

    __uint32_t u32;

    __uint64_t u64;

} epoll_data_t;

可见 epoll_data 是一个 union 结构体 , 借助于它应用程序可以保存很多类型的信息 :fd 、指针等等。有了它,应用程序就可以直接定位目标了。

6. 使用 Epoll

既然 Epoll 相比 select 这么好,那么用起来如何呢?会不会很繁琐啊  先看看下面的三个函数吧,就知道 Epoll的易用了。

 

int epoll_create(int size);

生成一个 Epoll 专用的文件描述符,其实是申请一个内核空间,用来存放你想关注的 socket fd 上是否发生以及发生了什么事件。 size 就是你在这个 Epoll fd 上能关注的最大 socket fd 数,大小自定,只要内存足够。

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

控制某个 Epoll 文件描述符上的事件:注册、修改、删除。其中参数 epfd  epoll_create() 创建 Epoll 专用的文件描述符。相对于 select 模型中的 FD_SET  FD_CLR 宏。

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

等待 I/O 事件的发生;参数说明:

epfd:  epoll_create() 生成的 Epoll 专用的文件描述符;

epoll_event: 用于回传代处理事件的数组;

maxevents: 每次能处理的事件数;

timeout: 等待 I/O 事件发生的超时值;

返回发生事件数。

相对于 select 模型中的 select 函数。

7. 例子程序

下面是一个简单 Echo Server 的例子程序,麻雀虽小,五脏俱全,还包含了一个简单的超时检查机制,简洁起见没有做错误处理。

 

// 
// a simple echo server using epoll in linux
// 
// 2009-11-05
// by sparkling
// 
#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>
#include <iostream>
using namespace std;
#define MAX_EVENTS 500
struct myevent_s
{
    int fd;
    void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);
    int events;
    void *arg;
    int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in
    char buff[128]; // recv data buffer
    int len;
    long last_active; // last active time
};
// set event
void EventSet(myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void*), void *arg)
{
    ev->fd = fd;
    ev->call_back = call_back;
    ev->events = 0;
    ev->arg = arg;
    ev->status = 0;
    ev->last_active = time(NULL);
}
// add/mod an event to epoll
void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev)
{
    struct epoll_event epv = {0, {0}};
    int op;
    epv.data.ptr = ev;
    epv.events = ev->events = events;
    if(ev->status == 1){
        op = EPOLL_CTL_MOD;
    }
    else{
        op = EPOLL_CTL_ADD;
        ev->status = 1;
    }
    if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0)
        printf("Event Add failed[fd=%d]/n", ev->fd);
    else
        printf("Event Add OK[fd=%d]/n", ev->fd);
}
// delete an event from epoll
void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev)
{
    struct epoll_event epv = {0, {0}};
    if(ev->status != 1) return;
    epv.data.ptr = ev;
    ev->status = 0;
    epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);
}
int g_epollFd;
myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd
void RecvData(int fd, int events, void *arg);
void SendData(int fd, int events, void *arg);
// accept new connections from clients
void AcceptConn(int fd, int events, void *arg)
{
    struct sockaddr_in sin;
    socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);
    int nfd, i;
    // accept
    if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1)
    {
        if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)
        {
            printf("%s: bad accept", __func__);
        }
        return;
    }
    do
    {
        for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)
        {
            if(g_Events[i].status == 0)
            {
                break;
            }
        }
        if(i == MAX_EVENTS)
        {
            printf("%s:max connection limit[%d].", __func__, MAX_EVENTS);
            break;
        }
        // set nonblocking
        if(fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK) < 0) break;
        // add a read event for receive data
        EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]);
        EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, &g_Events[i]);
        printf("new conn[%s:%d][time:%d]/n", inet_ntoa(sin.sin_addr), ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active);
    }while(0);
}
// receive data
void RecvData(int fd, int events, void *arg)
{
    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;
    int len;
    // receive data
    len = recv(fd, ev->buff, sizeof(ev->buff)-1, 0); 	
    EventDel(g_epollFd, ev);
    if(len > 0)
    {
        ev->len = len;
        ev->buff[len] = '/0';
        printf("C[%d]:%s/n", fd, ev->buff);
        // change to send event
        EventSet(ev, fd, SendData, ev);
        EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT|EPOLLET, ev);
    }
    else if(len == 0)
    {
        close(ev->fd);
        printf("[fd=%d] closed gracefully./n", fd);
    }
    else
    {
        close(ev->fd);
        printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s/n", fd, errno, strerror(errno));
    }
}
// send data
void SendData(int fd, int events, void *arg)
{
    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;
    int len;
    // send data
    len = send(fd, ev->buff, ev->len, 0);
    ev->len = 0;
    EventDel(g_epollFd, ev);
    if(len > 0)
    {
        // change to receive event
        EventSet(ev, fd, RecvData, ev);
        EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, ev);
    }
    else
    {
        close(ev->fd);
        printf("recv[fd=%d] error[%d]/n", fd, errno);
    }
}
void InitListenSocket(int epollFd, short port)
{
    int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking
    printf("server listen fd=%d/n", listenFd);
    EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVENTS]);
    // add listen socket
    EventAdd(epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, &g_Events[MAX_EVENTS]);
    // bind & listen
    sockaddr_in sin;
    bzero(&sin, sizeof(sin));
    sin.sin_family = AF_INET;
    sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    sin.sin_port = htons(port);
    bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin));
    listen(listenFd, 5);
}
int main(int argc, char **argv)
{
    short port = 12345; // default port
    if(argc == 2){
        port = atoi(argv[1]);
    }
    // create epoll
    g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS);
    if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d/n", g_epollFd);
    // create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking
    InitListenSocket(g_epollFd, port);
    // event loop
    struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
    printf("server running:port[%d]/n", port);
    int checkPos = 0;
    while(1){
        // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event
        long now = time(NULL);
        for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd
        {
            if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle
            if(g_Events[checkPos].status != 1) continue;
            long duration = now - g_Events[checkPos].last_active;
            if(duration >= 60) // 60s timeout
            {
                close(g_Events[checkPos].fd);
                printf("[fd=%d] timeout[%d--%d]./n", g_Events[checkPos].fd, g_Events[checkPos].last_active, now);
                EventDel(g_epollFd, &g_Events[checkPos]);
            }
        }
        // wait for events to happen
        int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000);
        if(fds < 0){
            printf("epoll_wait error, exit/n");
            break;
        }
        for(int i = 0; i < fds; i++){
            myevent_s *ev = (struct myevent_s*)events[i].data.ptr;
            if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN)) // read event
            {
                ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
            }
            if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT)) // write event
            {
                ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
            }
        }
    }
    // free resource
    return 0;
} 

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不错,粉个
2012/12/31 14:28
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引用来自“MrMign”的评论

目前还未知,正在学习中呢,还望多多指教哦。

我之前是做.NET的,最近才开始研究Epoll,粉一个
2012/12/31 12:00
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目前还未知,正在学习中呢,还望多多指教哦。
2012/12/31 11:59
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引用来自“MrMign”的评论

最近正在用哦,谢谢。

有帮助就行,MrMign是做哪个行业开发的?
2012/12/31 11:57
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最近正在用哦,谢谢。
2012/12/31 11:56
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引用来自“Mr.6”的评论

不错

谢谢围观~
2012/12/31 10:48
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不错
2012/12/31 09:56
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