20分钟了解Epoll + 聊天室实战

程序员文章站 2022-03-15 21:36:01

了解IO多路复用，了解poll和select存在的问题，深入了解epoll如何高效，最后使用epoll实现一个聊天室巩固学习 ......

我们知道，计算机的硬件资源由操作系统管理、调度，我们的应用程序运行在操作系统之上，我们的程序运行需要访问计算机上的资源（如读取文件，接收网络请求），操作系统有内核空间和用户空间之分，所以数据读取，先由内核读取数据到内核缓冲区，然后才会从操作系统的内核空间拷贝到用户空间，这个就是缓存i/o，又被称作标准i/o。

几种常见的io模式：阻塞i/o、非阻塞i/o、i/o多路复用

1、阻塞i/o

用户进程向内核发起i/o系统调用，内核去准备所需的数据，直到数据都准备好了（需要一段时间）返回给用户进程，在这期间，用户进程一直处于阻塞状态，拿到所需数据，才会继续向下执行。

2、非阻塞i/o

用户进程向内核发起i/o系统调用，内核发现数据还没准备好，立即返回error，用户进程拿到error，可以再次向内核发起请求，直到获取所需数据

3、i/o多路复用

下面详细介绍

一、i/o多路复用

定义：i/o multiplexing allows us to simultaneously monitor multiple file descriptors to see if i/o is possible on any of them.

1、为什么要同时监视多个文件描述符？

传统的阻塞i/o模型可以满足大部分的应用程序使用场景，但有的时候，一些应用程序会同时需要如下特性：

检查文件i/o是否已经ready，如果没有，不阻塞，直接返回
同时监视多个文件描述符，判断他们中的任意一个的i/o是否已经ready

比如一个web服务器，可能同时打开了几千个连接，每accept一个连接，操作系统产生一个fd(文件描述符)，我们的服务器需要监听这些文件描述符，当客户端发来新的数据的时候，我们需要处理请求数据，并给出响应，正常的实现方式可能如下：

connections = [fd1, fd2, fdn];
for (c in connections) {
    if (hasnewinput(x)) {
        processinput(x);
    }
}

这样实现的问题是，我们自己维护着所有的连接，需要主动的去轮寻判断i/o是否已经ready以便进行读写，但事实上并不是所有连接都是活跃状态（建立的连接并没有数据交互），如果我们轮寻的频率很低，那用户获取响应的时间可能长的无法忍受，如果轮寻的频率非常的高，则会浪费cpu的时间。

所以如果可以将主动遍历所有连接，判断每一个的io状态，改为将这些文件描述符（fd）交给内核去监视，然后当一个或多个文件描述符io ready的时候，内核来告诉我们，这样效率就大大提高了，因此我们需要io多路复用。

2、i/o多路复用的几种实现

io多路复用的实现比较普遍的有两个：select和poll，相比较poll，select更为普遍，最早与bsd socket api一起出现，已被纳入susv3标准规范，epoll是只属于linux的特性，最早的api出现在linux2.6。

名字叫i/o多路复用，所谓的复用，复用的是同一个进程（线程），也就是在同一个进程中“并发“的完成多个文件描述符的i/o。

2.1、select

select系统调用会阻塞，直到一个或多个文件描述符i/o ready

1>定义：

#include <sys/time.h>         /* for portability */ 
#include <sys/select.h> 

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

2>参数：

nfds:应设置为大于等于下面三个fds监听的文件描述符的总和
readfds:需要监听输入事件的文件描述符集合
writefds:需要监听输出事件的文件描述符集合
exceptfds:需要被监听是否有异常情况发生的文件描述符集合
timeout:，阻塞；设置为0，检查一遍文件描述符状态立即返回；设置为null或者非0值，会一直阻塞直到：
- 三种fds中有至少一个文件描述符进入ready状态
- 被信号处理中断
- 到达指定的超时时间

3>返回值：

返回-1：产生错误
返回0：超时返回了，这期间没有文件描述符ready
返回正数：返回的数值就是已经ready的文件描述符的数量

4>小示例

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/time.h> 
#include <sys/select.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    fd_set readfds, writefds;
    int ready, nfds, fd, numread, j;
    struct timeval timeout;
    struct timeval *pto;
    char buf[10];
    
    //判断参数是否包含短斜线，包含timeout设置null
    if (strcmp(argv[1], "-") == 0) {
        pto = null;
    } else {
        pto = &timeout;
        pto.tv_sec = atoi(argv[1]);
        pto.tv_usec = 0;
    }
    //准备监听文件描述符集合
    nfds = 0;
    //用select 提供的宏初始化fd_set
    fd_zero(&readfds);
    fd_zero(&writefds);

    for (j = 2; j < argc; j++) {
        numread = sscanf(argv[j], "%d%2[rw]", &fd, buf);
        if (numread != 2) {
            printf("error");
            return 0;
        }
        if (fd >= nfds) {
            nfds += 1;
        }
        //判断是监听读还是写
        if (strchr(buf, 'r') != null) {
            fd_set(fd, &readfds);
        }
        if (strchr(buf, 'w') != null) {
            fd_set(fd, &writefds);
        }
    }
    //调用select函数
    ready = select(nfds, &readfds, &writefds, null, pto);
    if (ready == -1) {
        printf("select error\n");
        return 0;
    }
    for (fd = 0; fd < nfds; fd++) {
        //打印ready 状态
        printf("%d: %s%s\n", fd, fd_isset(fd, &readfds) ? "r" : "", fd_isset(fd, &writefds) ? "w" : "");
    }
    return 0;
}

使用文件描述符0 也就是标准输入测试，首先编译一下这段代码gcc -o select select.c

运行./select 10 0r 代表select阻塞最多10秒超时返回，监听标准输入的读ready状态，会发现程序处于阻塞状态，直到10秒后select返回，打印 0：，也就是没有ready

运行./select - 0r 代表select不会超时直到标准输入读ready，程序会一直挂起，直到我们敲回车，返回0:r

运行./select 5 0r 1w 代表最多5秒超时，同时监听标准输入的读状态，和标准输出的写状态，返回0: 1:w

2.2、poll

poll跟select机制基本一样，不同点在于select将监听的文件描述符分开到3个集合中，poll只需一个文件描述符列表

1>定义

#include <poll.h> 

int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout);

2>参数

struct pollfd fds：文件描述符数组

struct pollfd {     
    int   fd;               /* file descriptor */     
    short events;           /* requested events bit mask */     
    short revents;          /* returned events bit mask */ 
};

nfds：fds数组中文件描述符的总数
timeout：超时时间，传-1阻塞直到有文件描述符ready，传0不阻塞，传>0的值，不管有没有ready的文件描述符，到指定时间超时返回

3>返回值

返回-1：有错误产生
返回0：没有任何文件描述符ready
返回正数：fds元素revents不为0的文件描述的个数

3、poll和select存在哪些问题？

1、每次调用poll()或select()，内核必须检查传过来的所有文件描述符，当文件描述符超过一定数量后，光是检查这一步就已经非常耗时了

2、每次调用poll()或select()，需要从用户态初始化文件描述符的数据结构，然后传递到内核态，在内核态检查io状态，然以将状态更新到文件描述符数据结构，再返回这个数据结构，数据需不断的在用户态和内核态间拷贝，同样当文件描述符数量很大时，非常耗费cpu时间

3、每次调用完poll()或select()，还要遍历返回的所有文件描述符，判断状态，浪费时间

解决以上问题的关键是：1）不要每次都在内核态和用户态复制这些监听的文件描述符数据 2）只返回io ready 的文件描述符，不要只标识状态，自己还需要再遍历一遍，因此，linux给了我们epoll。

二、epoll

linux的epoll，也是i/o多路复用的一种实现方式，同样是同时监听多个文件描述符的i/o状态，他有如下几个优势：

同时监听的大量文件描述符，效率高于select和epoll
epoll api同时提供了水平触发通知和边缘触发通知可选，select和epoll只有水平触发通知的方式（两种通知方式后面会讲）
对于监听文件描述的具体事件（读、写等，通过bit mask的方式），更为灵活

不像select和poll直接就是系统调用的函数，epoll由3个系统调用函数组成

1、epoll的3个函数

1.1、epoll_create

通过调用epoll_create，创建一个新的epoll内核数据结构实例，返回该实例的文件描述符，然后，调用进程可以使用这个文件描述符向epoll实例添加、删除或修改它想要监视的其他文件描述符。

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);

1.2、epoll_ctl

进程可以通过调用epoll_ctl向epoll实例添加它希望监视的文件描述符，所有这些文件描述符由epoll实例维护在interest list中。当被监视的文件描述符为i/o做好准备时，他们就进入到ready list，ready list是interest list的一个子集

定义：

#include <sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

参数：

epfd：epoll_create返回的文件描述符
fd：准备加入监视列表(interest list)的文件描述符
op：要对这个fd做什么操作，有3种
- 添加：epoll_ctl_add
- 删除：epoll_ctl_del
- 修改：epoll_ctl_mod
event：指向epoll_event结构体的指针，结构体中存储着我们实际想要监视fd的哪些事件

epoll_event结构：

struct epoll_event {
  __uint32_t events;  /* epoll events */
  epoll_data_t data;  /* user data variable */
};

events:
事件的成员是位掩码，比如fd是一个socket，我们可能希望监视他，以获取套接字缓冲区上的新数据（使用epollin）,如果希望事件的通知机制使用边缘触发的方式，可以使用epollet。也就是读操作就绪，使用边缘触发的通知方式，需要这样指定events：epollin | epollet

所有可以指定的events见

data:
epoll_data_t 是一个union，可以存储一些数据，当该文件描述符ready的时候，返回给调用监听的进程

typedef union epoll_data {     
    void *ptr;          /* pointer to user-defined data */     
    int fd;             /* file descriptor */     
    uint32_t u32;        /* 32-bit integer */     
    uint64_t u64;        /* 64-bit integer */ 
} epoll_data_t;

返回值：返回0执行成功，-1发生错误

1.3、epoll_wait

通过调用epoll_wait，可以获取之前监听的所有事件（interest list）中i/o准备好的事件（ready list）

定义：

#include <sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *evlist, int maxevents, int timeout);

参数：

epfd：epoll_create创建epoll实例，返回的文件描述符
evlist：epoll_event数组，epoll_wait调用会阻塞，直到有文件描述符ready，ready的文件描述符及发生的事件会保存到evlist
maxevents：evlist数组的长度
timeout：指定epoll_wait将阻塞多长时间
- 设置为0，非阻塞模式，检查interest list是否有ready的文件描述符后立即返回
- 设置为-1，永远的阻塞直到1>interest list中的一个或多个文件描述符就绪 2>被信号处理程序终断
- 设置为正数：永远的阻塞直到1>interest list中的一个或多个文件描述符就绪 2>被信号处理程序终断 3> 指定的timeout毫秒到了，过期返回

2、深入epoll实例

2.1、先弄清文件描述符和打开文件的关系

为了弄清楚打开文件、文件描述符和epoll之间的关系，我们先看一下linux操作系统中文件描述符(file descriptors)、打开文件描述(open file description)、和系统级文件inode表之间的关系，如图所示：
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内核维护了3个数据结构：

每个进程打开的文件描述符（file descriptor table）
- fd flags：文件的flag，就是只读、只写等这些flag
- file ptr：指向文件描述的指针
系统中打开文件的描述（open file table）
- file offset：当前文件的offset
- status flags：对应open的flags参数
- inode ptr：指向i-node对象的指针
操作系统维护文件系统（i-node table）
- file type：文件类型
- file locks：一个指向该文件锁相关的列表的指针
- 以及其它各种标识这个文件相关信息

图中可以看出：

a进程的fd1和fd20这两个文件描述符的file ptr指向同一个同一个open file description（可能执行了dup系统调用复制了文件描述符）
a进程fd2和b进程的fd2的file ptr也指向同一个open file description（b可能是a调用系统调用fork出来的子进程）
a进程的fd0和b进程的fd3指向不同的file description，但是指向的是同一个i-node，也就说打开的是同一个文件

2.2、再看epoll_create

当调用了epoll_create，事实上内核在inode-table创建了一个新的inode(也就是epoll实例)，以及在file description table中添加一条打开文件描述记录，并且返回给调用者一个文件描述符。

接下来我们就可以使用这个文件描述符，向epoll实例中添加需要监听的文件描述符，当调用epoll_ctl添加一个文件描述符到epoll实例的监听列表(interest list)的时候，事实上真正添加的不是文件描述符，而是其对应的文件描述（file description table）。基于这一点，结合上面文件描述符和打开文件关系的图：

假如进程a调用epoll_create，返回文件描述符fd8。

如果b是a fork出来的子进程，那么会继承a所有打开的文件描述符，包括fd8，所以进程a和进程b共享interest list，
a fork完 b 之后，又打开了一个文件，返回文件描述符fd3,然后调用epoll_ctl添加到interest list中，这时b中并不包括a新打开的文件描述符fd3，但是当fd3有i/o 事件的时候，a或b进程调用epoll_wait,都会收到fd3 io ready的通知

2.3、epoll为什么性能高于poll和select?

回顾上述poll()和select（）存在的问题，可以看到epoll刚好解决了这些问题：

相比较poll和select，每次调用循环检查每一个文件描述符i/o状态，时间复杂度o(n)，不管n大小，调用一次循环检查一次；epoll得益于监听的是文件描述符下一级的打开文件描述，并且每次调用epoll_wait的时候直接返回ready list就可以了，不需要循环
相比较poll和select，每次调用都需要传递监听文件描述符数据到内核，epoll调用epoll_ctl一次性添加到epoll实例，接下来调用epoll_wait不需要再传递这些文件描述符信息过去了
相比较poll()和select()返回所有的文件描述，epoll只返回ready的文件描述符

监听不同数量文件描述符，执行100000次状态检查select、poll、epoll性能对比：

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3、关于level-trigger 和 edge-trigger

3.1、文件描述符准备就绪通知的两种模型:

水平触发：如果可以在不阻塞的情况下执行i/o系统调用，则认为文件描述符已经准备好了，触发通知
边缘触发：文件描述符被监控以来，有新的i/o活动（例如新的输入），触发通知

3.2、不同的通知模型如何影响我们的程序设计？

水平触发

确定文件描述符的i/o状态已经ready
已经ready，对这个文件描述符执行一些i/o操作（比如读取几个字节数据），然后继续监视它的io状态
仍然有未读取的数据，还会继续触发通知，也就是说不用一次执行完所有的io操作（比如一次读取缓冲区的全部内容）

边缘触发：

只有新的io事件发生时，才会触发通知
直到下次io事件发生，不会再触发通知

注：对于边缘触发，当触发通知时，我们并不知道有多少io可用（例如有多少字节可以读），所以一般使用边缘触发通知方式要遵循如下规则：

接收到事件通知后，程序应该尽可能多的执行io（读写），因为仅仅通知这一次，不读取完毕，数据可能就丢失了

为了避免io阻塞，每个被监视的文件描述符应该是非阻塞模式打开的，然后收到事件通知后，重复的执行io直到返回错误信息

接下来的聊天室的实例，我们使用边缘触发的方式