发布于 2018-02-17 18:24:04 | 35 次阅读 | 评论: 0 | 来源: 网友投递

这里有新鲜出炉的Linux常用命令,程序狗速度看过来!

Linux

Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统,是一个基于POSIX和UNIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。它能运行主要的UNIX工具软件、应用程序和网络协议。


这篇文章主要介绍了linux epoll机制详解,介绍了select()和poll() IO多路复用模型,epoll IO多路复用模型实现机制,epoll的接口和工作模式等相关内容,小编胜博发手机官网还是挺不错的,这里分享给大家,需要的朋友可以参考下

在linux 没有实现epoll事件驱动机制之前,我们一般选择用select或者poll等IO多路复用的方法来实现并发服务程序。在linux新的内核中,有了一种替换它的机制,就是epoll。

select()和poll() IO多路复用模型

select的缺点:

1.单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制,通常是1024,当然可以更改数量,但由于select采用轮询的方式扫描文件描述符,文件描述符数量越多,性能越差;(在linux内核头文件中,有这样的定义:#define __FD_SETSIZE 1024)
2.内核 / 用户空间内存拷贝问题,select需要复制大量的句柄数据结构,产生巨大的开销;
3.select返回的是含有整个句柄的数组,应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件;
4.select的触发方式是水平触发,应用程序如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行IO操作,那么之后每次select调用还是会将这些文件描述符通知进程。

相比select模型,poll使用链表保存文件描述符,因此没有了监视文件数量的限制,但其他三个缺点依然存在。

假设我们的服务器需要支持100万的并发连接,则在__FD_SETSIZE 为1024的情况下,则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。除了进程间上下文切换的胜博發消耗外,从内核/用户空间大量的无脑内存拷贝、数组轮询等,是系统难以承受的。因此,基于select模型的服务器程序,要达到10万级别的并发访问,是一个很难完成的任务。

epoll IO多路复用模型实现机制

由于epoll的实现机制与select/poll机制完全不同,上面所说的 select的缺点在epoll上不复存在。

设想一下如下场景:有100万个客户端同时与一个服务器进程保持着TCP连接。而每一时刻,通常只有几百上千个TCP连接是活跃的(事实上大部分场景都是这种情况)。如何实现这样的高并发?

在select/poll时代,服务器进程每次都把这100万个连接告诉操作系统(从用户态复制句柄数据结构到内核态),让操作系统内核去查询这些套接字上是否有事件发生,轮询完后,再将句柄数据复制到用户态,让服务器应用程序轮询处理已发生的网络事件,这一过程资源消耗较大,因此,select/poll一般只能处理几千的并发连接。

epoll的设计和实现与select完全不同。epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统(文件系统一般用什么数据结构实现?B+树)。把原先的select/poll调用分成了3个部分:

1)调用epoll_create()建立一个epoll对象(在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源)

2)调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接的套接字

3)调用epoll_wait收集发生的事件的连接

如此一来,要实现上面说是的场景,只需要在进程启动时建立一个epoll对象,然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同时,epoll_wait的效率也非常高,因为调用epoll_wait时,并没有一股脑的向操作系统复制这100万个连接的句柄数据,内核也不需要去遍历全部的连接。

epoll实现机制

当某一进程调用epoll_create方法时,Linux内核会创建一个eventpoll结构体,这个结构体中有两个成员与epoll的使用方式密切相关。eventpoll结构体如下所示:


struct eventpoll{
 ....
 /*红黑树的根节点,这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/
 struct rb_root rbr;
 /*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/
 struct list_head rdlist;
 ....
};

每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体,用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。这些事件都会挂载在红黑树中,如此,重复添加的事件就可以通过红黑树而高效的识别出来(红黑树的插入胜博發效率是lgn,其中n为树的高度)。

而所有添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系,也就是说,当相应的事件发生时会调用这个回调方法。这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback,它会将发生的事件添加到rdlist双链表中。

在epoll中,对于每一个事件,都会建立一个epitem结构体,如下所示:


struct epitem{
 struct rb_node rbn;//红黑树节点
 struct list_head rdllink;//双向链表节点
 struct epoll_filefd ffd; //事件句柄信息
 struct eventpoll *ep; //指向其所属的eventpoll对象
 struct epoll_event event; //期待发生的事件类型
}

当调用epoll_wait检查是否有事件发生时,只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不为空,则把发生的事件复制到用户态,同时将事件数量返回给用户。

通过红黑树和双链表数据结构,并结合回调机制,造就了epoll的高效。

epoll的接口

1.epoll_create

创建epoll句柄
函数声明:int epoll_create(int size)

参数:size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。
返回值:返回创建了的epoll句柄。
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.epoll_ctl

将被监听的描述符添加到epoll句柄或从epool句柄中删除或者对监听事件进行修改。
函数申明:int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event*event);

参数:
epfd: epoll_create()的返回值
op:表示要进行的操作,其值分别为:
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;
fd:需要操作/监听的文件句柄
event:是告诉内核需要监听什么事件,struct epoll_event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:触发该事件,表示对应的文件描述符上有可读数据。(包括对端SOCKET正常关闭);
EPOLLOUT:触发该事件,表示对应的文件描述符上可以写数据;
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(EdgeTriggered)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。

示例:


struct epoll_event ev;
//设置与要处理的事件相关的文件描述符
ev.data.fd=listenfd;
//设置要处理的事件类型
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
//注册epoll事件
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);

1.epoll_wait

等侍注册在epfd上的socket fd的事件的发生,如果发生则将发生的sokct fd和事件类型放入到events数组中。
函数原型:int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

参数:
epfd:由epoll_create 生成的epoll文件描述符
events:用于回传代处理事件的数组
maxevents:每次能处理的最大事件数
timeout:等待I/O事件发生的超时毫秒数,-1相当于阻塞,0相当于非阻塞。一般用-1即可

epoll的工作模式

ET(EdgeTriggered):高速工作模式,只支持no_block(非阻塞模式)。在此模式下,当描述符从未就绪变为就绪时,内核通过epoll告知。然后它会假设用户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,直到某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了。(触发模式只在数据就绪时通知一次,若数据没有读完,下一次不会通知,直到有新的就绪数据)

LT(LevelTriggered):缺省工作方式,支持blocksocket和no_blocksocket。在LT模式下内核会告知一个文件描述符是否就绪了,然后可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果不作任何操作,内核还是会继续通知!若数据没有读完,内核也会继续通知,直至设备数据为空为止!

示例说明:

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)……

ET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,在第2步执行了一个写操作,第三步epoll_wait会返回同时通知的事件会销毁。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。

只有当read(2)或者write(2)返回EAGAIN时(认为读完)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(即小于sizeof(buf)),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。

LT工作模式:

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。

示例


/*
* file epollTest.c
*/
#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <unistd.h> 
#include <errno.h> 
#include <sys/socket.h> 
#include <netdb.h> 
#include <fcntl.h> 
#include <sys/epoll.h> 
#include <string.h> 
#define MAXEVENTS 64 
//函数: 
//功能:创建和绑定一个TCP socket 
//参数:端口 
//返回值:创建的socket 
static int 
create_and_bind (char *port) 
{ 
 struct addrinfo hints; 
 struct addrinfo *result, *rp; 
 int s, sfd; 
 memset (&hints, 0, sizeof (struct addrinfo)); 
 hints.ai_family = AF_UNSPEC;  /* Return IPv4 and IPv6 choices */ 
 hints.ai_socktype = SOCK_STREAM; /* We want a TCP socket */ 
 hints.ai_flags = AI_PASSIVE;  /* All interfaces */ 
 s = getaddrinfo (NULL, port, &hints, &result); 
 if (s != 0) 
 { 
  fprintf (stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror (s)); 
  return -1; 
 } 
 for (rp = result; rp != NULL; rp = rp->ai_next) 
 { 
  sfd = socket (rp->ai_family, rp->ai_socktype, rp->ai_protocol); 
  if (sfd == -1) 
  continue; 
  s = bind (sfd, rp->ai_addr, rp->ai_addrlen); 
  if (s == 0) 
  { 
   /* We managed to bind successfully! */ 
   break; 
  } 
  close (sfd); 
 } 
 if (rp == NULL) 
 { 
  fprintf (stderr, "Could not bind\n"); 
  return -1; 
 } 
 freeaddrinfo (result); 
 return sfd; 
} 

//函数 
//功能:设置socket为非阻塞的 
static int 
make_socket_non_blocking (int sfd) 
{ 
 int flags, s; 
 //得到文件状态标志 
 flags = fcntl (sfd, F_GETFL, 0); 
 if (flags == -1) 
 { 
  perror ("fcntl"); 
  return -1; 
 } 
 //设置文件状态标志 
 flags |= O_NONBLOCK; 
 s = fcntl (sfd, F_SETFL, flags); 
 if (s == -1) 
 { 
  perror ("fcntl"); 
  return -1; 
 } 
 return 0; 
} 
//端口由参数argv[1]指定 
int 
main (int argc, char *argv[]) 
{ 
 int sfd, s; 
 int efd; 
 struct epoll_event event; 
 struct epoll_event *events; 
 if (argc != 2) 
 { 
  fprintf (stderr, "Usage: %s [port]\n", argv[0]); 
  exit (EXIT_FAILURE); 
 } 
 sfd = create_and_bind (argv[1]); 
 if (sfd == -1) 
 abort (); 
 s = make_socket_non_blocking (sfd); 
 if (s == -1) 
 abort (); 
 s = listen (sfd, SOMAXCONN); 
 if (s == -1) 
 { 
  perror ("listen"); 
  abort (); 
 } 
 //除了参数size被忽略外,此函数和epoll_create完全相同 
 efd = epoll_create1 (0); 
 if (efd == -1) 
 { 
  perror ("epoll_create"); 
  abort (); 
 } 
 event.data.fd = sfd; 
 event.events = EPOLLIN | EPOLLET;//读入,边缘触发方式 
 s = epoll_ctl (efd, EPOLL_CTL_ADD, sfd, &event); 
 if (s == -1) 
 { 
  perror ("epoll_ctl"); 
  abort (); 
 } 
 /* Buffer where events are returned */ 
 events = calloc (MAXEVENTS, sizeof event); 
 /* The event loop */ 
 while (1) 
 { 
  int n, i; 
  n = epoll_wait (efd, events, MAXEVENTS, -1); 
  for (i = 0; i < n; i++) 
  { 
   if ((events[i].events & EPOLLERR) || 
    (events[i].events & EPOLLHUP) || 
    (!(events[i].events & EPOLLIN))) 
   { 
    /* An error has occured on this fd, or the socket is not 
     ready for reading (why were we notified then?) */ 
    fprintf (stderr, "epoll error\n"); 
    close (events[i].data.fd); 
    continue; 
   } 
   else if (sfd == events[i].data.fd) 
   { 
    /* We have a notification on the listening socket, which 
     means one or more incoming connections. */ 
    while (1) 
    { 
     struct sockaddr in_addr; 
     socklen_t in_len; 
     int infd; 
     char hbuf[NI_MAXHOST], sbuf[NI_MAXSERV]; 
     in_len = sizeof in_addr; 
     infd = accept (sfd, &in_addr, &in_len); 
     if (infd == -1) 
     { 
      if ((errno == EAGAIN) || 
       (errno == EWOULDBLOCK)) 
      { 
       /* We have processed all incoming 
        connections. */ 
       break; 
      } 
      else 
      { 
       perror ("accept"); 
       break; 
      } 
     } 
         //将地址转化为主机名或者服务名 
     s = getnameinfo (&in_addr, in_len, 
         hbuf, sizeof hbuf, 
         sbuf, sizeof sbuf, 
         NI_NUMERICHOST | NI_NUMERICSERV);//flag参数:以数字名返回 
         //主机地址和服务地址 
     if (s == 0) 
     { 
      printf("Accepted connection on descriptor %d " 
        "(host=%s, port=%s)\n", infd, hbuf, sbuf); 
     } 
     /* Make the incoming socket non-blocking and add it to the 
      list of fds to monitor. */ 
     s = make_socket_non_blocking (infd); 
     if (s == -1) 
     abort (); 
     event.data.fd = infd; 
     event.events = EPOLLIN | EPOLLET; 
     s = epoll_ctl (efd, EPOLL_CTL_ADD, infd, &event); 
     if (s == -1) 
     { 
      perror ("epoll_ctl"); 
      abort (); 
     } 
    } 
    continue; 
   } 
   else 
   { 
    /* We have data on the fd waiting to be read. Read and 
     display it. We must read whatever data is available 
     completely, as we are running in edge-triggered mode 
     and won't get a notification again for the same 
     data. */ 
    int done = 0; 
    while (1) 
    { 
     ssize_t count; 
     char buf[512]; 
     count = read (events[i].data.fd, buf, sizeof(buf)); 
     if (count == -1) 
     { 
      /* If errno == EAGAIN, that means we have read all 
       data. So go back to the main loop. */ 
      if (errno != EAGAIN) 
      { 
       perror ("read"); 
       done = 1; 
      } 
      break; 
     } 
     else if (count == 0) 
     { 
      /* End of file. The remote has closed the 
       connection. */ 
      done = 1; 
      break; 
     } 
     /* Write the buffer to standard output */ 
     s = write (1, buf, count); 
     if (s == -1) 
     { 
      perror ("write"); 
      abort (); 
     } 
    } 
    if (done) 
    { 
     printf ("Closed connection on descriptor %d\n", 
       events[i].data.fd); 
     /* Closing the descriptor will make epoll remove it 
      from the set of descriptors which are monitored. */ 
     close (events[i].data.fd); 
    } 
   } 
  } 
 } 
 free (events); 
 close (sfd); 
 return EXIT_SUCCESS; 
}

代码编译后,./epollTest 8888 ,在另外一个终端中执行
telnet 192.168.1.161 8888 ,192.168.1.161为执行测试程序的ip。在telnet终端敲入任何字符敲入Enter后,会在测试终端显示敲入的字符。

总结

以上就是本文关于linux epoll机制详解的全部内容,希望对大家有所帮助。感兴趣的朋友可以继续参阅本站其他相关专题,如有不足之处,欢迎留言指出。感谢朋友们对本站的支持!



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