高并发网络编程之epoll详解

2023-10-29

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。在大数据、高并发、集群等一些名词唱得火热之年代，select和poll的用武之地越来越有限，风头已经被epoll占尽。

本文便来介绍epoll的实现机制，并附带讲解一下select和poll。通过对比其不同的实现机制，真正理解为何epoll能实现高并发。

select()和poll() IO多路复用模型

select的缺点：

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)
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；
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；
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。

拿select模型为例，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时间消耗外，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。

因此，该epoll上场了。

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。

下面来看看Linux内核具体的epoll机制实现思路。

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(红黑树的插入时间效率是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。

epoll数据结构示意图

从上面的讲解可知：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。

OK，讲解完了Epoll的机理，我们便能很容易掌握epoll的用法了。一句话描述就是：三步曲。

第一步：epoll_create()系统调用。此调用返回一个句柄，之后所有的使用都依靠这个句柄来标识。

第二步：epoll_ctl()系统调用。通过此调用向epoll对象中添加、删除、修改感兴趣的事件，返回0标识成功，返回-1表示失败。

第三部：epoll_wait()系统调用。通过此调用收集收集在epoll监控中已经发生的事件。

最后，附上一个epoll编程实例。(作者为sparkliang)

//   
// a simple echo server using epoll in linux  
//   
// 2009-11-05  
// 2013-03-22:修改了几个问题，1是/n格式问题，2是去掉了原代码不小心加上的ET模式;
// 本来只是简单的示意程序，决定还是加上 recv/send时的buffer偏移
// by sparkling  
//   
#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>  
#include <errno.h>  
#include <iostream>  
using namespace std;  
#define MAX_EVENTS 500  
struct myevent_s  
{  
    int fd;  
    void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);  
    int events;  
    void *arg;  
    int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in  
    char buff[128]; // recv data buffer  
    int len, s_offset;  
    long last_active; // last active time  
};  
// set event  
void EventSet(myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void*), void *arg)  
{  
    ev->fd = fd;  
    ev->call_back = call_back;  
    ev->events = 0;  
    ev->arg = arg;  
    ev->status = 0;
    bzero(ev->buff, sizeof(ev->buff));
    ev->s_offset = 0;  
    ev->len = 0;
    ev->last_active = time(NULL);  
}  
// add/mod an event to epoll  
void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev)  
{  
    struct epoll_event epv = {0, {0}};  
    int op;  
    epv.data.ptr = ev;  
    epv.events = ev->events = events;  
    if(ev->status == 1){  
        op = EPOLL_CTL_MOD;  
    }  
    else{  
        op = EPOLL_CTL_ADD;  
        ev->status = 1;  
    }  
    if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0)  
        printf("Event Add failed[fd=%d], evnets[%d]\n", ev->fd, events);  
    else  
        printf("Event Add OK[fd=%d], op=%d, evnets[%0X]\n", ev->fd, op, events);  
}  
// delete an event from epoll  
void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev)  
{  
    struct epoll_event epv = {0, {0}};  
    if(ev->status != 1) return;  
    epv.data.ptr = ev;  
    ev->status = 0;
    epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);  
}  
int g_epollFd;  
myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd  
void RecvData(int fd, int events, void *arg);  
void SendData(int fd, int events, void *arg);  
// accept new connections from clients  
void AcceptConn(int fd, int events, void *arg)  
{  
    struct sockaddr_in sin;  
    socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);  
    int nfd, i;  
    // accept  
    if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1)  
    {  
        if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)  
        {  
        }
        printf("%s: accept, %d", __func__, errno);  
        return;  
    }  
    do  
    {  
        for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)  
        {  
            if(g_Events[i].status == 0)  
            {  
                break;  
            }  
        }  
        if(i == MAX_EVENTS)  
        {  
            printf("%s:max connection limit[%d].", __func__, MAX_EVENTS);  
            break;  
        }  
        // set nonblocking
        int iret = 0;
        if((iret = fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0)
        {
            printf("%s: fcntl nonblocking failed:%d", __func__, iret);
            break;
        }
        // add a read event for receive data  
        EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]);  
        EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, &g_Events[i]);  
    }while(0);  
    printf("new conn[%s:%d][time:%d], pos[%d]\n", inet_ntoa(sin.sin_addr),
            ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active, i);  
}  
// receive data  
void RecvData(int fd, int events, void *arg)  
{  
    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;  
    int len;  
    // receive data
    len = recv(fd, ev->buff+ev->len, sizeof(ev->buff)-1-ev->len, 0);    
    EventDel(g_epollFd, ev);
    if(len > 0)
    {
        ev->len += len;
        ev->buff[len] = '\0';  
        printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buff);  
        // change to send event  
        EventSet(ev, fd, SendData, ev);  
        EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT, ev);  
    }  
    else if(len == 0)  
    {  
        close(ev->fd);  
        printf("[fd=%d] pos[%d], closed gracefully.\n", fd, ev-g_Events);  
    }  
    else  
    {  
        close(ev->fd);  
        printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno));  
    }  
}  
// send data  
void SendData(int fd, int events, void *arg)  
{  
    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;  
    int len;  
    // send data  
    len = send(fd, ev->buff + ev->s_offset, ev->len - ev->s_offset, 0);
    if(len > 0)  
    {
        printf("send[fd=%d], [%d<->%d]%s\n", fd, len, ev->len, ev->buff);
        ev->s_offset += len;
        if(ev->s_offset == ev->len)
        {
            // change to receive event
            EventDel(g_epollFd, ev);  
            EventSet(ev, fd, RecvData, ev);  
            EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, ev);  
        }
    }  
    else  
    {  
        close(ev->fd);  
        EventDel(g_epollFd, ev);  
        printf("send[fd=%d] error[%d]\n", fd, errno);  
    }  
}  
void InitListenSocket(int epollFd, short port)  
{  
    int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
    fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking  
    printf("server listen fd=%d\n", listenFd);  
    EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVENTS]);  
    // add listen socket  
    EventAdd(epollFd, EPOLLIN, &g_Events[MAX_EVENTS]);  
    // bind & listen  
    sockaddr_in sin;  
    bzero(&sin, sizeof(sin));  
    sin.sin_family = AF_INET;  
    sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  
    sin.sin_port = htons(port);  
    bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin));  
    listen(listenFd, 5);  
}  
int main(int argc, char **argv)  
{  
    unsigned short port = 12345; // default port  
    if(argc == 2){  
        port = atoi(argv[1]);  
    }  
    // create epoll  
    g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS);  
    if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d\n", g_epollFd);  
    // create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking  
    InitListenSocket(g_epollFd, port);  
    // event loop  
    struct epoll_event events[MAX_EVENTS];  
    printf("server running:port[%d]\n", port);  
    int checkPos = 0;  
    while(1){  
        // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event  
        long now = time(NULL);  
        for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd  
        {  
            if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle  
            if(g_Events[checkPos].status != 1) continue;  
            long duration = now - g_Events[checkPos].last_active;  
            if(duration >= 60) // 60s timeout  
            {  
                close(g_Events[checkPos].fd);  
                printf("[fd=%d] timeout[%d--%d].\n", g_Events[checkPos].fd, g_Events[checkPos].last_active, now);  
                EventDel(g_epollFd, &g_Events[checkPos]);  
            }  
        }  
        // wait for events to happen  
        int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000);  
        if(fds < 0){  
            printf("epoll_wait error, exit\n");  
            break;  
        }  
        for(int i = 0; i < fds; i++){  
            myevent_s *ev = (struct myevent_s*)events[i].data.ptr;  
            if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN)) // read event  
            {  
                ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);  
            }  
            if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT)) // write event  
            {  
                ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);  
            }  
        }  
    }  
    // free resource  
    return 0;  
}

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