高性能网络设计秘笈:深入剖析Linux网络IO与epoll

简介: 本文介绍了网络IO模型,引入了epoll作为Linux系统中高性能网络编程的核心工具。通过分析epoll的特点与优势,并给出使用epoll的注意事项和实践技巧,该文章为读者提供了宝贵的指导。通过掌握这些知识,读者能够构建高效、可扩展和稳定的网络应用,提供出色的用户体验。

一、epoll简介

epoll是Linux内核中一种可扩展的IO事件处理机制,可替代select和poll的系统调用。处理百万级并发访问性能更佳。

二、select的局限性

(1) 文件描述符越多,性能越差。 单个进程中能够监视的文件描述符存在最大的数量,默认是1024(在linux内核头文件中定义有 #define _FD_SETSIZE 1024),当然也可以修改,但是文件描述符数量越多,性能越差。
(2)开销巨大 ,select需要复制大量的句柄数据结构,产生了巨大的开销(内核/用户空间内存拷贝问题)。
(3)select需要遍历整个句柄数组才能知道哪些句柄有事件。
(4)如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符的IO操作,那么每次调用select还是会将这些文件描述符通知进程,即水平触发。
(5)poll使用链表保存监视的文件描述符,虽然没有了监视文件数量的限制,但是其他缺点依旧存在。
由于以上缺点,基于select模型的服务器程序,要达到十万以上的并发访问,是很难完成的。因此,epoll出场了。

三、epoll的优点

(1)不需要轮询所有的文件描述符
(2)每次取就绪集合,都在固定位置
(3)事件的就绪和IO触发可以异步解耦

四、epoll函数原型

4.1、epoll_create(int size)

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);

功能:创建epoll的文件描述符。
参数说明:size表示内核需要监控的最大数量,但是这个参数内核已经不会用到,只要传入一个大于0的值即可。 当size<=0时,会直接返回不可用,这是历史原因保留下来的,最早的epoll_create是需要定义一次性就绪的最大数量;后来使用了链表以便便维护和扩展,就不再需要使用传入的参数。
返回:返回该对象的描述符,注意要使用 close 关闭该描述符。

4.2、epoll_ctl

#include <sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
// epoll_ctl对应系统调用sys_epoll_ctl

功能:操作epoll的文件描述符,主要是对epoll的红黑树节点进行操作,比如节点的增删改查。
参数说明:

参数 含义
epfd 通过 epoll_create 创建的文件描述符
op 对红黑树的操作,比如节点的增加、修改、删除,分别对应EPOLL_CTL_ADD、EPOLL_CTL_MOD、EPOLL_CTL_DEL
fd 需要添加监听的文件描述符
event 事件信息

4.2.1、event参数说明

struct epoll_event结构体原型

typedef union epoll_data{
   
   
    void* ptr;
    int fd;
    uint32_t u32;
    uint64_t u64
};

struct epoll_event{
   
   
    uint32_t events;
    epoll_data_t data;
}

events成员代表要监听的epoll事件类型
events成员:

成员变量 含义
EPOLLIN 监听fd的读事件
EPOLLOUT 监听fd的写事件
EPOLLRI 监听紧急数据可读事件(带外数据到来)
EPOLLRDHUP 监听套接字关闭或半关闭事件
EPOLLET 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式

data成员:
data 成员时一个联合体类型,可以在调用 epoll_ctl 给 fd 添加/修改描述符监听的事件时携带一些数据,方便后面的epoll_wait可以取出信息使用。

4.2.2、扩展说明:SYSCALL_DEFINE数字 的宏定义

跟着的数字代表函数需要的参数数量,比如SYSCALL_DEFINE1代表函数需要一个参数、SYSCALL_DEFINE4代表函数需要4个参数。

4.2.3、注意

epoll_ctl是非阻塞的,不会被挂起。

4.3、epoll_wait

函数原型

#include <sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

功能:阻塞一段时间,等待事件发生
返回:返回事件数量,事件集添加到events数组中。也就是遍历红黑树中的双向链表,把双向链表中的节点数据拷贝出来,拷贝完毕后把节点从双向链表中移除。

返回值 含义
大于0 事件个数
等于0 超时时间timeout到了
小于0 出错,可通过errno查看出错原因

参数说明:

参数 含义
epfd 通过 epoll_create 创建的文件描述符
events 存放就绪的事件集合,是输出参数
maxevents 最大可存放事件数量,events数组大小
timeout 阻塞等待的时间长短,单位是毫秒,-1表示一直阻塞等待

五、epoll使用步骤

step 1:创建epoll文件描述符

int epfd = epoll_create(1);

step 2:创建struct epoll_event结构体

struct epoll_event ev;
ev.data.fd=listenfd;//保存监听的fd,以便epoll_wait的后续操作
ev.events=EPOLLIN;//设置监听fd的可读事件

step 3:添加事件监听

epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);

step 4:等待事件

struct epoll_event events[EVENTS_LENGTH];
char rbuffer[MAX_BUFF]={
   
    0 };
char wbuffer[MAX_BUFF]={
   
    0 };
while(1)
{
   
   
    int nready = epoll_wait(epfd,events,EVENTS_LENGTH,-1);//-1表示阻塞等待
    int i=0;
    for(i=0;i<nready;i++)
    {
   
   
        int clientfd=events[i].data.fd;
        if(clientfd==listenfd)
        {
   
   
            struct sockaddr_in client;
            int len=sizeof(client);
            int confd=accept(listenfd,(struct sockaddr*)&client,&len);
            //step 2:创建struct epoll_event结构体
            struct epoll_event evt;
            evt.data.fd=confd;//保存监听的fd,以便epoll_wait的后续操作
            evt.events=EPOLLIN;//设置监听fd的可读事件
            // step 3:添加事件监听
            epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,confd,&evt);
        }
        else if(events[i].events &EPOLLIN)
        {
   
   
            int ret = recv(clientfd,rbuffer,MAX_BUFF,0);
            if(ret>0)
            {
   
   
                rbuffer[ret]='\0';//剔除干扰数据
                printf("recv: %s\n",rbuffer);
                memcpy(wbuffer,rbuffer,MAX_BUFF);//拷贝数据,做回传示例
                //step 2:创建struct epoll_event结构体
                struct epoll_event evt;
                evt.data.fd=clientfd;//保存监听的fd,以便epoll_wait的后续操作
                evt.events=EPOLLOUT;//设置监听fd的可写事件
                // step 3:修改事件监听
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,clientfd,&evt);
            }
        }
        else if(events[i].events &EPOLLOUT)
        {
   
   
            int ret = send(clientfd,wbuffer,MAX_BUFF,0);
            printf("send: %s\n",wbuffer);
            //step 2:创建struct epoll_event结构体
            struct epoll_event evt;
            evt.data.fd=clientfd;//保存监听的fd,以便epoll_wait的后续操作
            evt.events=EPOLLIN;//设置监听fd的可读事件
            // step 3:修改事件监听
            epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,clientfd,&evt);

        }
    }
}

六、完整示例代码

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <fcntl.h>

#include <unistd.h>

#include <pthread.h>

#include <sys/epoll.h>

#include <string.h>

#define BUFFER_LENGTH    128

#define EVENTS_LENGTH    128

char rbuff[BUFFER_LENGTH] = {
   
    0 };
char wbuff[BUFFER_LENGTH] = {
   
    0 };

int main() {
   
   

// block
    int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  // 
    if (listenfd == -1) return -1;
// listenfd
    struct sockaddr_in servaddr;
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_port = htons(9999);

    if (-1 == bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr))) {
   
   
        return -2;
    }

#if 0 // nonblock
    int flag = fcntl(listenfd, F_GETFL, 0);
    flag |= O_NONBLOCK;
    fcntl(listenfd, F_SETFL, flag);
#endif

    listen(listenfd, 10);


    int epfd = epoll_create(1);
    struct epoll_event ev, events[EVENTS_LENGTH];
    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = listenfd;

    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev);

    printf("epfd : %d\n", epfd);
    while (1)
    {
   
   
        int nready = epoll_wait(epfd, events, EVENTS_LENGTH, -1);
        printf("nready --> %d\n",nready);
        int i;
        for (i = 0; i < nready;i++)
        {
   
   
            int clientfd = events[i].data.fd;
            if (listenfd == clientfd)
            {
   
   
                // accept
                struct sockaddr_in client;
                int len = sizeof(client);
                int conffd = accept(clientfd, (struct sockaddr*)&client,&len);

                printf("conffd --> %d\n",conffd);
                ev.events = EPOLLIN;
                ev.data.fd = conffd;
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, conffd, &ev);
            }
            else if(events[i].events & EPOLLIN)//client
            {
   
   
                int ret=recv(clientfd, rbuff, BUFFER_LENGTH, 0);
                if (ret > 0)
                {
   
   
                    rbuff[ret] = '\0';
                    printf("recv buffer: %s\n", rbuff);
                    /*
                    int j;
                    for (j = 0; j < BUFFER_LENGTH;j++)
                    {
                        buff[j] = 'a' + (j % 26);
                    }
                    send(clientfd, buff, BUFFER_LENGTH, 0);
                    */
                    memcpy(wbuff, rbuff, BUFFER_LENGTH);
                    ev.events = EPOLLOUT;
                    ev.data.fd = clientfd;
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, clientfd, &ev);
                }

            }
            else if (events[i].events & EPOLLOUT)
            {
   
   
                send(clientfd, wbuff, BUFFER_LENGTH, 0);
                printf("send --> %s\n",wbuff);
                ev.events = EPOLLIN;
                ev.data.fd = clientfd;
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, clientfd, &ev);
            }
        }
    }

    return 0;
}

七、epoll的缺点

读写使用相同的缓冲区。比如上述的示例中,wbuffer和rbuffer是使用同一个缓冲区的,所以需要rbuff[ret] = '\0';去除杂数据。

八、水平触发(LT)与边沿触发(ET)

8.1、两者差异

1、水平触发可以一次recv,边沿触发需要用循环来recv;
2、水平触发可以使用阻塞模式,边沿模式不能
3、两者性能差异非常小,一般小数据使用水平触发LT,大数据使用边沿触发ET
4、listen fd最好使用水平触发,尽量不要边沿触发
5、当当recv的buffer小于接受的数据时:
(1)水平触发是只要有数据就一直触发,直到数据读完;
(2)边沿触发是来一次连接触发一次,如果接受数据的buffer不够大,则数据会保留在缓冲区,下次触发继续从缓冲区读出来;
6、一般,水平触发只需要一个recv,边沿触发需要搭配while从缓冲区读完数据

8.2、设置触发模式

默认是水平触发模式,在事件中设置中 | EPOLLET 就可以设置边沿触发,不设置则默认是水平触发。
例如:

ev.events=EPOLL_IN | EPOLLET

九、常见疑惑问题

9.1、为什么提前先定义一个事件?

我们需要注册,内核才会有事件来的时候通知进程。比如生活中要退一个快递,那么我们需要注册一个快递公司的账户,然后发送一个退快递请求时快递公司才能找到你并取快递。

9.2、epoll events超出EVENTS_LENGTH?

epoll会循环拷贝红黑树结构体中的双向链表节点,读取节点数据,直到没有事件。

9.3、缓冲区有多大空间时才返回可读/可写?

只要缓冲区有空间就返回可读、可写,不管空间多少。比如缓冲区是1024,但是有1023有数据了,这种极端条件也会返回可读、可写。

9.4、recv和send放在一起时,有什么问题?

发送给客户端数据很大的时候(大于内核缓冲区),就可能出现send不全,客户端recv不全,最好用EPOLLOUT单独处理发送数据事件。

总结

本文介绍了网络IO模型,引入了epoll作为Linux系统中高性能网络编程的核心工具。通过分析epoll的特点与优势,并给出使用epoll的注意事项和实践技巧,该文章为读者提供了宝贵的指导。通过掌握这些知识,读者能够构建高效、可扩展和稳定的网络应用,提供出色的用户体验。

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