C++ - 网络编程模型 - Linux EPOLL

1.简介

   Linux I/O多路复用技术在比较多的TCP网络服务器中有使用，即比较多的用到select函数。Linux 2.6内核中有提高网络I/O性能的新方法，即epoll 。 epoll是什么？按照man手册的说法是为处理大批量句柄而作了改进的poll。要使用epoll只需要以下的三个系统函数调用：  epoll_create(2)，epoll_ctl(2)，epoll_wait(2)。

2.select模型的缺陷

   (1) 在Linux内核中，select所用到的FD_SET是有限的

   内核中有个参数__FD_SETSIZE定义了每个FD_SET的句柄个数：#define __FD_SETSIZE 1024。也就是说，如果想要同时检测1025个句柄的可读状态是不可能用select实现的；或者同时检测1025个句柄的可写状态也是不可能的。

   (2) 内核中实现select是使用轮询方法

   每次检测都会遍历所有FD_SET中的句柄，显然select函数的执行时间与FD_SET中句柄的个数有一个比例关系，即select要检测的句柄数越多就会越费时

3.Windows IOCP模型的缺陷

    windows完成端口实现的AIO，实际上也只是使用内部用线程池实现的，最后的结果是IO有个线程池，你的应用程序也需要一个线程池。很多文档其实已经指出了这引发的线程context-switch所带来的代价。

4.EPOLL模型的优点

   (1) 支持一个进程打开大数目的socket描述符(FD)

   epoll没有select模型中的限制，它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于select 所支持的2048

   (2) IO效率不随FD数目增加而线性下降

   传统select/poll的另一个致命弱点就是当你拥有一个很大的socket集合，由于网络得延时，使得任一时间只有部分的socket是"活跃"的，而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。于是，只有"活跃"的socket才会主动去调用callback函数，其他idle状态的socket则不会。在这点上，epoll实现了一个"伪"AIO"，因为这时候推动力在os内核。在一些 benchmark中，如果所有的socket基本上都是活跃的，比如一个高速LAN环境，epoll也不比select/poll低多少效率，但若过多使用的调用epoll_ctl，效率稍微有些下降。然而一旦使用idle connections模拟WAN环境，那么epoll的效率就远在select/poll之上了。

   (3) 使用mmap加速内核与用户空间的消息传递

   无论是select,poll还是epoll都需要内核把FD消息通知给用户空间，如何避免不必要的内存拷贝就显得很重要。在这点上，epoll是通过内核于用户空间mmap同一块内存实现。

5.EPOLL模型的工作模式

   (1) LT模式

   LT：level triggered，这是缺省的工作方式，同时支持block和no-block socket，在这种模式中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。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。传统的select/poll都是这种模型的代表。

   (2) ET模式

   LT：edge-triggered，这是高速工作方式，只支持no-block socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核就通过epoll告诉你，然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到你做了某些操作而导致那个文件描述符不再是就绪状态(比如你在发送，接收或是接受请求，或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK 错误)。但是请注意，如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪)，内核就不会发送更多的通知(only once)。不过在TCP协议中，ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark确认。

6.EPOLL模型的使用方法

   epoll用到的所有函数都是在头文件sys/epoll.h中声明的，下面简要说明所用到的数据结构和函数：

   (1) epoll_data、epoll_data_t、epoll_event

   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 */

   };

 

   结构体epoll_event 被用于注册所感兴趣的事件和回传所发生待处理的事件。epoll_event 结构体的events字段是表示感兴趣的事件和被触发的事件，可能的取值为：

   EPOLLIN：      表示对应的文件描述符可以读；

   EPOLLOUT：     表示对应的文件描述符可以写；

   EPOLLPRI：     表示对应的文件描述符有紧急的数据可读；

   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：      表示对应的文件描述符有事件发生；

 

   联合体epoll_data用来保存触发事件的某个文件描述符相关的数据。例如一个client连接到服务器，服务器通过调用accept函数可以得到于这个client对应的socket文件描述符，可以把这文件描述符赋给epoll_data的fd字段，以便后面的读写操作在这个文件描述符上进行。

 

   (2)epoll_create

   函数声明：intepoll_create(intsize)

   函数说明：该函数生成一个epoll专用的文件描述符，其中的参数是指定生成描述符的最大范围。

 

   (3) epoll_ctl函数

   函数声明：intepoll_ctl(int epfd,int op, int fd, struct epoll_event *event)

   函数说明：该函数用于控制某个文件描述符上的事件，可以注册事件、修改事件、删除事件。

      epfd：由 epoll_create 生成的epoll专用的文件描述符；

      op：要进行的操作，可能的取值EPOLL_CTL_ADD 注册、EPOLL_CTL_MOD 修改、EPOLL_CTL_DEL      删除；

      fd：关联的文件描述符；

      event：指向epoll_event的指针；

   如果调用成功则返回0，不成功则返回-1。

 

   (4) epoll_wait函数

   函数声明：int epoll_wait(int epfd, structepoll_event * events, int maxevents, int timeout)

   函数说明：该函数用于轮询I/O事件的发生。

   epfd：由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。

 

   设计思路：

   首先通过create_epoll(int maxfds)来创建一个epoll的句柄，其中maxfds为你的epoll所支持的最大句柄数。这个函数会返回一个新的epoll句柄，之后的所有操作都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。

   然后在你的网络主循环里面，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。基本的语法为：

   nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1); 

   其中kdpfd为用epoll_create创建之后的句柄，events是一个epoll_event*的指针，当epoll_wait函数操作成功之后，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参数指示 epoll_wait的超时条件，为0时表示马上返回；为-1时表示函数会一直等下去直到有事件返回；为任意正整数时表示等这么长的时间，如果一直没有事件，则会返回。一般情况下如果网络主循环是单线程的话，可以用-1来等待，这样可以保证一些效率，如果是和主循环在同一个线程的话，则可以用0来保证主循环的效率。epoll_wait返回之后，应该进入一个循环，以便遍历所有的事件。

对epoll 的操作就这么简单，总共不过4个API：epoll_create, epoll_ctl,epoll_wait和close。以下是man中的一个例子。

struct epoll_event ev, *events;

for(;;) 

{

   nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1);    //等待IO事件

   for(n = 0; n < nfds; ++n)

   {

   //如果是主socket的事件，则表示有新连接进入，需要进行新连接的处理。

      if(events[n].data.fd == listener)

      {

         client = accept(listener, (struct sockaddr *) &local,  &addrlen);

if(client < 0)

         {

            perror("accept error");

            continue;

         }

         // 将新连接置于非阻塞模式

         setnonblocking(client);

         ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; 

         //注意这里的参数EPOLLIN | EPOLLET并没有设置对写socket的监听，

         //如果有写操作的话，这个时候epoll是不会返回事件的，

         //如果要对写操作也监听的话，应该是EPOLLIN | EPOLLOUT | EPOLLET。

         // 并且将新连接也加入EPOLL的监听队列

         ev.data.fd = client;

         // 设置好event之后，将这个新的event通过epoll_ctl

         if (epoll_ctl(kdpfd, EPOLL_CTL_ADD, client, &ev) < 0)

         {

            //加入到epoll的监听队列里，这里用EPOLL_CTL_ADD

            //来加一个新的 epoll事件。可以通过EPOLL_CTL_DEL来减少

            //一个epoll事件，通过EPOLL_CTL_MOD来改变一个事件的监听方式。

            fprintf(stderr, "epoll set insertion error: fd=%d"0, client);

            return -1;

         }

      }

      else

      // 如果不是主socket的事件的话，则代表这是一个用户的socket的事件，

      // 则用来处理这个用户的socket的事情是，比如说read(fd,xxx)之类，或者一些其他的处理。

         do_use_fd(events[n].data.fd);

   }

}

7.EPOLL模型的一个实例

#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>

 

#define MAXLINE 10 

#define OPEN_MAX 100

#define LISTENQ 20

#define SERV_PORT 5555 

#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 i, maxi, listenfd, connfd, sockfd, epfd, nfds; 

   ssize_t n; 

   char line[MAXLINE];

   socklen_t clilen;

   //声明epoll_event结构体的变量, ev用于注册事件, events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, 指定生成描述符的最大范围为256 

   epfd = epoll_create(256);

   struct sockaddr_in clientaddr; 

   struct sockaddr_in serveraddr;

   listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

 

   setnonblocking(listenfd);       //把用于监听的socket设置为非阻塞方式

   ev.data.fd = listenfd;          //设置与要处理的事件相关的文件描述符

   ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;  //设置要处理的事件类型

   epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev);     //注册epoll事件

   bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr)); 

   serveraddr.sin_family = AF_INET;

   char *local_addr = "200.200.200.204";

   inet_aton(local_addr, &(serveraddr.sin_addr));

   serveraddr.sin_port = htons(SERV_PORT);  //或者htons(SERV_PORT);

   bind(listenfd,(sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr));

   listen(listenfd, LISTENQ);

   maxi = 0;

   for( ; ; )

   { 

      nfds = epoll_wait(epfd, events, 20, 500); //等待epoll事件的发生

      for(i = 0; i < nfds; ++i)                 //处理所发生的所有事件

      {

         if(events[i].data.fd == listenfd)      //监听事件

         {

            connfd = accept(listenfd, (sockaddr *)&clientaddr, &clilen); 

            if(connfd < 0)

            {

               perror("connfd<0");

               exit(1);

            }

            setnonblocking(connfd);           //把客户端的socket设置为非阻塞方式

            char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr);

            std::cout << "connect from " << str  <<std::endl;

            ev.data.fd=connfd;                //设置用于读操作的文件描述符

            ev.events=EPOLLIN | EPOLLET;      //设置用于注测的读操作事件

            epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &ev);

            //注册ev事件

         }

         else if(events[i].events&EPOLLIN)      //读事件

         {

            if ( (sockfd = events[i].data.fd) < 0)

            {

               continue;

            }

            if ( (n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0) // 这里和IOCP不同

            {

               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; 

            }

            ev.data.fd=sockfd;              //设置用于写操作的文件描述符

            ev.events=EPOLLOUT | EPOLLET;   //设置用于注测的写操作事件 

            //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)//写事件

         {

            sockfd = events[i].data.fd;

            write(sockfd, line, n);

            ev.data.fd = sockfd;               //设置用于读操作的文件描述符

            ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;     //设置用于注册的读操作事件

            //修改sockfd上要处理的事件为EPOLIN

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

         } 

      }

   }

}

8.EPOLL进阶思考

8.1. 问题来源

   最近学习EPOLL模型，介绍中说将EPOLL与Windows IOCP模型进行比较，说其的优势在于解决了IOCP模型大量线程上下文切换的开销，于是可以看出，EPOLL模型不需要多线程，即单线程中可以处理EPOLL逻辑。如果引入多线程反而会引起一些问题。但是EPOLL模型的服务器端到底可以不可以用多线程技术，如果可以，改怎么取舍，这成了困扰我的问题。上网查了一下，有这样几种声音：

   (1) “要么事件驱动(如epoll)，要么多线程，要么多进程，把这几个综合起来使用，感觉更加麻烦。”；

   (2) “单线程使用epoll，但是不能发挥多核；多线程不用epoll。”；

   (3) “主通信线程使用epoll所有需要监控的FD，有事件交给多线程去处理”；

   (4) “既然用了epoll, 那么线程就不应该看到fd, 而只看到的是一个一个的业务请求/响应； epoll将网络数据组装成业务数据后, 转交给业务线程进行处理。这就是常说的半同步半异步”。

   我比较赞同上述(3)、(4)中的观点

   EPOLLOUT只有在缓冲区已经满了，不可以发送了，过了一会儿缓冲区中有空间了，就会触发EPOLLOUT，而且只触发一次。如果你编写的程序的网络IO不大，一次写入的数据不多的时候，通常都是epoll_wait立刻就会触发 EPOLLOUT；如果你不调用 epoll，直接写 socket，那么情况就取决于这个socket的缓冲区是不是足够了。如果缓冲区足够，那么写就成功。如果缓冲区不足，那么取决你的socket是不是阻塞的，要么阻塞到写完成，要么出错返回。所以EPOLLOUT事件具有较大的随机性，ET模式一般只用于EPOLLIN, 很少用于EPOLLOUT。

8.2. 具体做法

   (1) 主通信线程使用epoll所有需要监控的FD，负责监控listenfd和connfd，这里只监听EPOLLIN事件，不监听EPOLLOUT事件；

   (2) 一旦从Client收到了数据以后，将其构造成一个消息，放入消息队列中；

   (3) 若干工作线程竞争，从消息队列中取出消息并进行处理，然后把处理结果发送给客户端。发送客户端的操作由工作线程完成。直接进行write。write到EAGAIN或EWOULDBLOCK后，线程循环continue等待缓冲区队列

发送函数代码如下：

bool send_data(int connfd, char *pbuffer, unsigned int &len,int flag)

{

   if ((connfd < 0) || (0  == pbuffer))

   {

      return false;

   }

   

   int result = 0;

   int remain_size = (int) len;

   int send_size = 0;

   const char *p = pbuffer; 

   time_t start_time = time(NULL);

   int time_out = 3;

   do

   {

      if (time(NULL) > start + time_out)

      {

         return false;

      }

      send_size = send(connfd, p, remain_size, flag);

      if (nSentSize < 0)

      {

         if ((errno == EAGAIN) || (errno == EWOULDBLOCK) || (errno == EINTR))

         {

            continue;

         }

         else

         {

            len -= remain_size;

            return false;

         }

      }

 

      p += send_size;

      remain_size -= send_size;

   }while(remain_size > 0);

   return true;

}

 

http://www.linuxidc.com/Linux/2012-04/57876.htm