linux下epoll实现机制

linux下epoll实现机制

原作者：陶辉

链接：http://blog.csdn.net/russell_tao/article/details/7160071

先简单回顾下如何使用C库封装的select系统调用吧

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

select的使用方法是这样的：

返回的活跃连接 ==select（全部待监控的连接）

对高并发而言，全部待监控连接是数以十万计的，返回的只是数百个活跃连接，而select的每次调用都需要传入全部待监控连接给内核，这是非常低效的。

再来看epoll模型的API：

int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,int maxevents, int timeout);

epoll的使用方法是这样的：

新建的epoll描述符==epoll_create()
epoll_ctrl(epoll描述符，添加或者删除所有待监控的连接)
返回的活跃连接 ==epoll_wait（ epoll描述符 ）

这么做的好处主要是：分清了频繁调用和不频繁调用的操作。例如，epoll_ctrl是不太频繁调用的，而epoll_wait是非常频繁调用的。这时，epoll_wait却几乎没有入参，这比select的效率高出一大截，而且，它也不会随着并发连接的增加使得入参越发多起来，导致内核执行效率下降。

epoll的工作方式：首先要调用epoll_create建立一个epoll对象。参数size是内核保证能够正确处理的最大句柄数，多于这个最大数时内核可能不保证效果。

epoll_ctl可以操作上面建立的epoll对象，例如，将刚建立的socket加入到epoll中让其监控，或者把 epoll正在监控的某个socket句柄移出epoll，不再监控它等等。

epoll_wait在调用时，在给定的timeout时间内，当在监控的所有句柄中有事件发生时，就返回用户态的进程。

从上面的调用方式就可以看到epoll比select/poll的优越之处：因为后者每次调用时都要传递你所要监控的所有socket给select/poll系统调用，这意味着需要将用户态的socket列表copy到内核态，如果以万计的句柄会导致每次都要copy几十几百KB的内存到内核态，非常低效。而我们调用epoll_wait时就相当于以往调用select/poll，但是这时却不用传递socket句柄给内核，因为内核已经在epoll_ctl中拿到了要监控的句柄列表。

所以，实际上在你调用epoll_create后，内核就已经在内核态开始准备帮你存储要监控的句柄了，每次调用epoll_ctl只是在往内核的数据结构里塞入新的socket句柄。

在内核里，一切皆文件。所以，epoll向内核注册了一个文件系统，用于存储上述的被监控socket。当你调用epoll_create时，就会在这个虚拟的epoll文件系统里创建一个file结点。当然这个file不是普通文件，它只服务于epoll。

epoll在被内核初始化时（操作系统启动），同时会开辟出epoll自己的内核高速cache区，用于安置每一个我们想监控的socket，这些socket会以红黑树的形式保存在内核cache里，以支持快速的查找、插入、删除。这个内核高速cache区，就是建立连续的物理内存页，然后在之上建立slab层，简单的说，就是物理上分配好你想要的size的内存对象，每次使用时都是使用空闲的已分配好的对象。

static int __init eventpoll_init(void)
{
    ... ...

    /* Allocates slab cache used to allocate "struct epitem" items */
    epi_cache = kmem_cache_create("eventpoll_epi", sizeof(struct epitem),
            , SLAB_HWCACHE_ALIGN|EPI_SLAB_DEBUG|SLAB_PANIC,
            NULL, NULL);

    /* Allocates slab cache used to allocate "struct eppoll_entry" */
    pwq_cache = kmem_cache_create("eventpoll_pwq",
            sizeof(struct eppoll_entry), ,
            EPI_SLAB_DEBUG|SLAB_PANIC, NULL, NULL);

 ... ...

epoll的高效就在于，当我们调用epoll_ctl往里塞入百万个句柄时，epoll_wait仍然可以飞快的返回，并有效的将发生事件的句柄给我们用户。这是由于我们在调用epoll_create时，内核除了帮我们在epoll文件系统里建了个file结点，在内核cache里建了个红黑树用于存储以后epoll_ctl传来的socket外，还会再建立一个list链表，用于存储准备就绪的事件，当epoll_wait调用时，仅仅观察这个list链表里有没有数据即可。有数据就返回，没有数据就sleep，等到timeout时间到后即使链表没数据也返回。所以，epoll_wait非常高效。

图中左下方的红黑树由所有待监控的连接构成。左上方的链表，同是目前所有活跃的连接。于是，epoll_wait执行时只是检查左上方的链表，并返回左上方链表中的连接给用户（仅需要从内核态copy少量的句柄到用户态而已）。这样，epoll_wait的执行效率能不高吗？

那么，这个准备就绪list链表是怎么维护的呢？当我们执行epoll_ctl时，除了把socket放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上之外，还会给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核，如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。所以，当一个socket上有数据到了，内核在把网卡上的数据copy到内核中后就来把socket插入到准备就绪链表里了。

如此，一颗红黑树，一张准备就绪句柄链表，少量的内核cache，就帮我们解决了大并发下的socket处理问题。执行epoll_create时，创建了红黑树和就绪链表，执行epoll_ctl时，如果增加socket句柄，则检查在红黑树中是否存在，存在立即返回，不存在则添加到树干上，然后向内核注册回调函数，用于当中断事件来临时向准备就绪链表中插入数据。执行epoll_wait时立刻返回准备就绪链表里的数据即可。

最后看看epoll独有的两种模式LT（水平触发）和ET（边缘触发）。无论是LT和ET模式，都适用于以上所说的流程。

这件事怎么做到的呢？当一个socket句柄上有事件时，内核会把该句柄插入上面所说的准备就绪list链表，这时我们调用epoll_wait，会把准备就绪的socket拷贝到用户态内存，然后清空准备就绪list链表，最后，epoll_wait干了件事，就是检查这些socket，如果是LT模式，并且这些socket上确实有未处理的事件时，又把该句柄放回到刚刚清空的准备就绪链表了。所以，LT模式的句柄，只要它上面还有事件，epoll_wait每次都会返回。而ET模式的句柄，除非有新中断到，即使socket上的事件没有处理完，也是不会次次从epoll_wait返回的。

例如，我们需要监控一个连接的写缓冲区是否空闲，满足“可写”时我们就可以从用户态将响应调用write发送给客户端 。但是，或者连接可写时，我们的“响应”内容还在磁盘上呢，此时若是磁盘读取还未完成呢？肯定不能使线程阻塞的，那么就不发送响应了。但是，下一次epoll_wait时可能又把这个连接返回给你了，你还得检查下是否要处理。可能，我们的程序有另一个模块专门处理磁盘IO，它会在磁盘IO完成时再发送响应。那么，每次epoll_wait都返回这个“可写”的、却无法立刻处理的连接，是否符合用户预期呢？

LT是每次满足期待状态的连接，都得在epoll_wait中返回，所以它一视同仁，都在一条水平线上。ET则不然，它倾向更精确的返回连接。在上面的例子中，连接第一次变为可写后，若是程序未向连接上写入任何数据，那么下一次epoll_wait是不会返回这个连接的。ET叫做 边缘触发，就是指，只有连接从一个状态转到另一个状态时，才会触发epoll_wait返回它。可见，ET的编程要复杂不少，至少应用程序要小心的防止epoll_wait的返回的连接出现：可写时未写数据后却期待下一次“可写”、可读时未读尽数据却期待下一次“可读”。

当然，从一般应用场景上它们性能是不会有什么大的差距的，ET可能的优点是，epoll_wait的调用次数会减少一些，某些场景下连接在不必要唤醒时不会被唤醒（此唤醒指epoll_wait返回）。但如果像我上面举例所说的，有时它不单纯是一个网络问题，跟应用场景相关。当然，大部分开源框架都是基于ET写的，框架嘛，它追求的是纯技术问题，当然力求尽善尽美。