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    epoll精髓 - 彭帅 - 博客园 - Google Chrome (2013/10/11 20:47:52)

    epoll精髓

    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:
    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。

    --------------------------------------------------------------------------------------------

    从man手册中,得到ET和LT的具体描述如下

    EPOLL事件有两种模型:
    Edge Triggered (ET)
    Level Triggered (LT)

    假如有这样一个例子:
    1. 我们已经把一个用来从管道中读取数据的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符
    2. 这个时候从管道的另一端被写入了2KB的数据
    3. 调用epoll_wait(2),并且它会返回RFD,说明它已经准备好读取操作
    4. 然后我们读取了1KB的数据
    5. 调用epoll_wait(2)......

    Edge Triggered 工作模式:
    如果我们在第1步将RFD添加到epoll描述符的时候使用了EPOLLET标志,那么在第5步调用epoll_wait(2)之后将有可能会挂起,因为剩余的数据还存在于文件的输入缓冲区内,而且数据发出端还在等待一个针对已经发出数据的反馈信息。只有在监视的文件句柄上发生了某个事件的时候 ET 工作模式才会汇报事件。因此在第5步的时候,调用者可能会放弃等待仍在存在于文件输入缓冲区内的剩余数据。在上面的例子中,会有一个事件产生在RFD句柄上,因为在第2步执行了一个写操作,然后,事件将会在第3步被销毁。因为第4步的读取操作没有读空文件输入缓冲区内的数据,因此我们在第5步调用 epoll_wait(2)完成后,是否挂起是不确定的。epoll工作在ET模式的时候,必须使用非阻塞套接口,以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。最好以下面的方式调用ET模式的epoll接口,在后面会介绍避免可能的缺陷。
       i    基于非阻塞文件句柄
       ii   只有当read(2)或者write(2)返回EAGAIN时才需要挂起,等待。但这并不是说每次read()时都需要循环读,直到读到产生一个EAGAIN才认为此次事件处理完成,当read()返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时,就可以确定此时缓冲中已没有数据了,也就可以认为此事读事件已处理完成。

    Level Triggered 工作模式
    相反的,以LT方式调用epoll接口的时候,它就相当于一个速度比较快的poll(2),并且无论后面的数据是否被使用,因此他们具有同样的职能。因为即使使用ET模式的epoll,在收到多个chunk的数据的时候仍然会产生多个事件。调用者可以设定EPOLLONESHOT标志,在 epoll_wait(2)收到事件后epoll会与事件关联的文件句柄从epoll描述符中禁止掉。因此当EPOLLONESHOT设定后,使用带有 EPOLL_CTL_MOD标志的epoll_ctl(2)处理文件句柄就成为调用者必须作的事情。


    然后详细解释ET, LT:

    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(这句话不理解)。

    在许多测试中我们会看到如果没有大量的idle -connection或者dead-connection,epoll的效率并不会比select/poll高很多,但是当我们遇到大量的idle- connection(例如WAN环境中存在大量的慢速连接),就会发现epoll的效率大大高于select/poll。(未测试)



    另外,当使用epoll的ET模型来工作时,当产生了一个EPOLLIN事件后,
    读数据的时候需要考虑的是当recv()返回的大小如果等于请求的大小,那么很有可能是缓冲区还有数据未读完,也意味着该次事件还没有处理完,所以还需要再次读取
    while(rs)
    {
      buflen = recv(activeevents[i].data.fd, buf, sizeof(buf), 0);
      if(buflen < 0)
      {
        // 由于是非阻塞的模式,所以当errno为EAGAIN时,表示当前缓冲区已无数据可读
        // 在这里就当作是该次事件已处理处.
        if(errno == EAGAIN)
         break;
        else
         return;
       }
       else if(buflen == 0)
       {
         // 这里表示对端的socket已正常关闭.
       }
       if(buflen == sizeof(buf)
         rs = 1;   // 需要再次读取
       else
         rs = 0;
    }


    还有,假如发送端流量大于接收端的流量(意思是epoll所在的程序读比转发的socket要快),由于是非阻塞的socket,那么send()函数虽然返回,但实际缓冲区的数据并未真正发给接收端,这样不断的读和发,当缓冲区满后会产生EAGAIN错误(参考man send),同时,不理会这次请求发送的数据.所以,需要封装socket_send()的函数用来处理这种情况,该函数会尽量将数据写完再返回,返回-1表示出错。在socket_send()内部,当写缓冲已满(send()返回-1,且errno为EAGAIN),那么会等待后再重试.这种方式并不很完美,在理论上可能会长时间的阻塞在socket_send()内部,但暂没有更好的办法.

    ssize_t socket_send(int sockfd, const char* buffer, size_t buflen)
    {
      ssize_t tmp;
      size_t total = buflen;
      const char *p = buffer;

      while(1)
      {
        tmp = send(sockfd, p, total, 0);
        if(tmp < 0)
        {
          // 当send收到信号时,可以继续写,但这里返回-1.
          if(errno == EINTR)
            return -1;

          // 当socket是非阻塞时,如返回此错误,表示写缓冲队列已满,
          // 在这里做延时后再重试.
          if(errno == EAGAIN)
          {
            usleep(1000);
            continue;
          }

          return -1;
        }

        if((size_t)tmp == total)
          return buflen;

        total -= tmp;
        p += tmp;
      }

      return tmp;
    }

     

    Linux网络编程一步一步学-epoll同时处理海量连接的代码 - blade2001的专栏 - 博客频道 - CSDN.NET - Google Chrome (2013/10/11 20:34:43)

     

    Linux网络编程一步一步学-epoll同时处理海量连接的代码

    分类: 网络/通信 1614人阅读 评论(0) 收藏 举报
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <errno.h>
    #include <string.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <sys/wait.h>
    #include <unistd.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #include <openssl/ssl.h>
    #include <openssl/err.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <sys/epoll.h>
    #include <sys/time.h>
    #include <sys/resource.h>


    #define MAXBUF 1024
    #define MAXEPOLLSIZE 10000

    /*
    setnonblocking - 设置句柄为非阻塞方式
    */
    int setnonblocking(int sockfd)
    {
        if (fcntl(sockfd, F_SETFL, fcntl(sockfd, F_GETFD, 0)|O_NONBLOCK) == -1) {
            return -1;
        }
        return 0;
    }

    /*
    handle_message - 处理每个 socket 上的消息收发
    */
    int handle_message(int new_fd)
    {
        char buf[MAXBUF + 1];
        int len;
        /* 开始处理每个新连接上的数据收发 */
        bzero(buf, MAXBUF + 1);
        /* 接收客户端的消息 */
        len = recv(new_fd, buf, MAXBUF, 0);
        if (len > 0)
            printf
                ("%d接收消息成功:'%s',共%d个字节的数据/n",
                 new_fd, buf, len);
        else {
            if (len < 0)
                printf
                    ("消息接收失败!错误代码是%d,错误信息是'%s'/n",
                     errno, strerror(errno));
            close(new_fd);
            return -1;
        }
        /* 处理每个新连接上的数据收发结束 */
        return len;
    }
    /************关于本文档********************************************
    *filename: epoll-server.c
    *purpose: 演示epoll处理海量socket连接的方法
    *wrote by: zhoulifa(zhoulifa@163.com) 周立发(http://zhoulifa.bokee.com)
    Linux爱好者 Linux知识传播者 SOHO族 开发者 最擅长C语言
    *date time:2007-01-31 21:00
    *Note: 任何人可以任意复制代码并运用这些文档,当然包括你的商业用途
    * 但请遵循GPL
    *Thanks to:Google
    *Hope:希望越来越多的人贡献自己的力量,为科学技术发展出力
    * 科技站在巨人的肩膀上进步更快!感谢有开源前辈的贡献!
    *********************************************************************/
    int main(int argc, char **argv)
    {
        int listener, new_fd, kdpfd, nfds, n, ret, curfds;
        socklen_t len;
        struct sockaddr_in my_addr, their_addr;
        unsigned int myport, lisnum;
        struct epoll_event ev;
        struct epoll_event events[MAXEPOLLSIZE];
        struct rlimit rt;

        if (argv[1])
            myport = atoi(argv[1]);
        else
            myport = 7838;

        if (argv[2])
            lisnum = atoi(argv[2]);
        else
            lisnum = 2;

        /* 设置每个进程允许打开的最大文件数 */
        rt.rlim_max = rt.rlim_cur = MAXEPOLLSIZE;
        if (setrlimit(RLIMIT_NOFILE, &rt) == -1) {
            perror("setrlimit");
            exit(1);
        }
        else printf("设置系统资源参数成功!/n");

        /* 开启 socket 监听 */
        if ((listener = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
            perror("socket");
            exit(1);
        } else
            printf("socket 创建成功!/n");

        setnonblocking(listener);

        bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));
        my_addr.sin_family = PF_INET;
        my_addr.sin_port = htons(myport);
        if (argv[3])
            my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[3]);
        else
            my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

        if (bind
            (listener, (struct sockaddr *) &my_addr, sizeof(struct sockaddr))
            == -1) {
            perror("bind");
            exit(1);
        } else
            printf("IP 地址和端口绑定成功/n");

        if (listen(listener, lisnum) == -1) {
            perror("listen");
            exit(1);
        } else
            printf("开启服务成功!/n");

        /* 创建 epoll 句柄,把监听 socket 加入到 epoll 集合里 */
        kdpfd = epoll_create(MAXEPOLLSIZE);
        len = sizeof(struct sockaddr_in);
        ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
        ev.data.fd = listener;
        if (epoll_ctl(kdpfd, EPOLL_CTL_ADD, listener, &ev) < 0) {
            fprintf(stderr, "epoll set insertion error: fd=%d/n", listener);
            return -1;
        } else
            printf("监听 socket 加入 epoll 成功!/n");
        curfds = 1;
        while (1) {
            /* 等待有事件发生 */
            nfds = epoll_wait(kdpfd, events, curfds, -1);
            if (nfds == -1) {
                perror("epoll_wait");
                break;
            }
            /* 处理所有事件 */
            for (n = 0; n < nfds; ++n) {
                if (events[n].data.fd == listener) {
                    new_fd = accept(listener, (struct sockaddr *) &their_addr,
                                    &len);
                    if (new_fd < 0) {
                        perror("accept");
                        continue;
                    } else
                        printf("有连接来自于: %d:%d, 分配的 socket 为:%d/n", inet_ntoa(their_addr.sin_addr), ntohs(their_addr.sin_port), new_fd);

                    setnonblocking(new_fd);
                    ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
                    ev.data.fd = new_fd;
                    if (epoll_ctl(kdpfd, EPOLL_CTL_ADD, new_fd, &ev) < 0) {
                        fprintf(stderr, "把 socket '%d' 加入 epoll 失败!%s/n",
                                new_fd, strerror(errno));
                        return -1;
                    }
                    curfds++;
                } else {
                    ret = handle_message(events[n].data.fd);
                    if (ret < 1 && errno != 11) {
                        epoll_ctl(kdpfd, EPOLL_CTL_DEL, events[n].data.fd,
                                  &ev);
                        curfds--;
                    }
                }
            }
        }
        close(listener);
        return 0;
    }

    编译此程序用命令:
    gcc -Wall epoll-server.c -o server

    运行此程序需要具有管理员权限!

    sudo ./server 7838 1

    通过测试这一个服务器可能同时处理10000 -3 = 9997 个连接!

    如果这是一个在线服务系统,那么它可以支持9997人同时在线,比如游戏、聊天等。




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