• 第45天-并发处理多个client请求(2013.09.21)


      1.TCP协议规定,主动关闭的一方要处于TIME_WAIT状态,等待两个MSL的时间后才能回到CLOSED状态,

            MSL在RFC1122中规定为两分钟

      2.connfd对应的是与某个客户端通讯的一个具体的IP地址,而listenfd对应的是wildcard address

          问题 : 在server的TCP连接没有完全断开之前不允许重新监听是不合理的

        解决方法 : 使用setsockopt()设置socket描述符的选项SO——REUSEADDR为1,表示允许创建端口号相同但IP地址不同的多个socket描述符。

          位置 : 在server代码的socket()和bind()调用之间插入如下代码

              int opt = 1;

              setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

      3.select是网络程序中很常用的一个系统调用,它可以同时监听多个阻塞的文件描述符

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

            nfds : 为描述符最大值加1,

            readfds , writefds, exceptfds, : 读, 写, 异常

            timeout : 0 -- 无阻塞, NULL -- 阻塞,  具体时间值--延时阻塞,阻塞多少

            FD_SETSIZE 1024   系统默认(可以更改)

            ssize_t int  size_t unsigned int

            void FD_ZERO(fd_set *set);    //清零

            void FD_SET(int fd, fd_set *set);  //添加某个文件描述符

            void FD_CLR(int fd, fd_set *set);  //删除某个文件描述符

            int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);  //检验某个文件描述符是否存在在set中

            文件描述符通常初始化为-1

                  当客户端关闭时, 服务器中的read会阻塞

      2.

    epoll - I/O event notification facility

    在linux的网络编程中,很长的时间都在使用select来做事件触发。在linux新的内核中,有了一种替换它的机制,就是epoll。

    相比于select,epoll最大的好处在于它不会随着监听fd数目的增长而降低效率。因为在内核中的select实现中,它是采用轮询来处理的,轮询的fd数目越多,自然耗时越多。并且,在linux/posix_types.h头文件有这样的声明:
    #define __FD_SETSIZE 1024
    表示select最多同时监听1024个fd,当然,可以通过修改头文件再重编译内核来扩大这个数目,但这似乎并不治本。
    epoll是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本,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,因为它会复用文件描述符集合来传递结果而不用迫使开发者每次等待事件之前都必须重新准备要被侦听的文件描述符集合,另一点原因就是获取事件的时候,它无须遍历整个被侦听的描述符集,只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符集合就行了。epoll除了提供select/poll那种IO事件的电平触发(Level Triggered)外,还提供了边沿触发(Edge Triggered),这就使得用户空间程序有可能缓存IO状态,减少epoll_wait/epoll_pwait的调用,提高应用程序效率。

    epoll支持一个进程打开大数目的socket描述符
    select 最不能忍受的是一个进程所打开的FD是有一定限制的,由FD_SETSIZE设置,默认值是1024。对于那些需要支持的上万连接数目的IM服务器来说显然太少了。这时候你一是可以选择修改这个宏然后重新编译内核,不过资料也同时指出这样会带来网络效率的下降,二是可以选择多进程的解决方案(传统的 Apache方案),不过虽然linux上面创建进程的代价比较小,但仍旧是不可忽视的,加上进程间数据同步远比不上线程间同步的高效,所以也不是一种完美的方案。不过 epoll则没有这个限制,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2048,举个例子,在1GB内存的机器上大约是10万左右,具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般来说这个数目和系统内存关系很大。
    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,其他idle状态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并不比select/poll有什么效率,相反,如果过多使用epoll_ctl,效率相比还有稍微的下降。但是一旦使用idle connections模拟WAN环境,epoll的效率就远在select/poll之上了。

    epoll的接口非常简单,一共就三个函数:
    1. int epoll_create(int size);
    创建一个epoll的句柄,size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。这个参数不同于select()中的第一个参数,给出最大监听的fd+1的值。需要注意的是,当创建好epoll句柄后,它就是会占用一个fd值,在linux下如果查看/proc/进程id/fd/,是能够看到这个fd的,所以在使用完epoll后,必须调用close()关闭,否则可能导致fd被耗尽。


    2. int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
    epoll的事件注册函数,它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件,而是在这里先注册要监听的事件类型。第一个参数是epoll_create()的返回值,第二个参数表示动作,用三个宏来表示:
    EPOLL_CTL_ADD:注册新的fd到epfd中;
    EPOLL_CTL_MOD:修改已经注册的fd的监听事件;
    EPOLL_CTL_DEL:从epfd中删除一个fd;
    第三个参数是需要监听的fd,第四个参数是告诉内核需要监听什么事,struct epoll_event结构如下:

    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 */
    };

    events可以是以下几个宏的集合:
    EPOLLIN :表示对应的文件描述符可以读(包括对端SOCKET正常关闭);
    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(这里应该表示有带外数据到来);
    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: 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式,这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。
    EPOLLONESHOT:只监听一次事件,当监听完这次事件之后,如果还需要继续监听这个socket的话,需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里


    3. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
    等待事件的产生,类似于select()调用。参数events用来从内核得到事件的集合,maxevents告之内核这个events有多大,这个 maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size,参数timeout是超时时间(毫秒,0会立即返回,-1将不确定,也有说法说是永久阻塞)。该函数返回需要处理的事件数目,如返回0表示已超时。

    4.epoll有2种工作方式:LT和ET。
    LT(level triggered)是缺省的工作方式,并且同时支持block和no-block socket.在这种做法中,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。
    ET (edge-triggered)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导致那个文件描述符不再为就绪状态了(比如,你在发送,接收或者接收请求,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。
    ET和LT的区别就在这里体现,LT事件不会丢弃,而是只要读buffer里面有数据可以让用户读,则不断的通知你。而ET则只在事件发生之时通知。可以简单理解为LT是水平触发,而ET则为边缘触发。LT模式只要有事件未处理就会触发,而ET则只在高低电平变换时(即状态从1到0或者0到1)触发。

    那么究竟如何来使用epoll呢?其实非常简单。
    通过在包含一个头文件#include <sys/epoll.h> 以及几个简单的API将可以大大的提高你的网络服务器的支持人数。

    首先通过create_epoll(int maxfds)来创建一个epoll的句柄,其中maxfds为你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。

    之后在你的网络主循环里面,每次都调用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,哪一个可以写了。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这个函数操作成功之后,epoll_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是 epoll_wait的超时,为0的时候表示马上返回,为-1的时候表示一直等下去,直到有事件发生;为任意正整数的时候表示等这么长的时间,如果在此时间内一直没有事件,则函数返回。一般如果网络主循环是单独的线程的话,可以用-1来等,这样可以保证一些效率,如果是和主逻辑在同一个线程的话,则可以用0来保证主循环的效率。

    epoll_wait范围之后应该是一个循环,遍历所有的事件。

    几乎所有的epoll程序都使用下面的框架:

    for( ; ; )
    {
    nfds = epoll_wait(epfd,events,20,500);
    for(i=0;i<nfds;++i)
    {
    if(events[i].data.fd==listenfd) //有新的连接
    {
    connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen); //accept这个连接
    ev.data.fd=connfd;
    ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev); //将新的fd添加到epoll的监听队列中
    }
    else if( events[i].events&EPOLLIN ) //接收到数据,读socket
    {
    n = read(sockfd, line, MAXLINE)); //读
    ev.data.ptr = md; //md为自定义类型,添加数据
    ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET;
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);//修改标识符,等待下一个循环时发送数据
    }
    else if(events[i].events&EPOLLOUT) //有数据待发送,写socket
    {
    struct myepoll_data* md = (myepoll_data*)events[i].data.ptr; //取数据
    sockfd = md->fd;
    send( sockfd, md->ptr, strlen((char*)md->ptr), 0 ); //发送数据
    ev.data.fd=sockfd;
    ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev); //修改标识符,等待下一个循环时接收数据
    }
    else
    {
    //其他的处理
    }
    }
    }

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