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select,poll,epoll

简介:

1. Epoll是何方神圣?

Epoll可是当前在Linux下开发大规模并发网络程序的热门人选,Epoll Linux2.6内核中正式引入,和select相似,其实都I/O多路复用技术而已,并没有什么神秘的。

 

其实在Linux下设计并发网络程序,向来不缺少方法,比如典型的Apache模型(Process Per Connection,简称PPC),TPCThread PerConnection)模型,以及select模型和poll模型,那为何还要再引入Epoll这个东东呢?那还是有得说说的

2. 常用模型的缺点

如果不摆出来其他模型的缺点,怎么能对比出Epoll的优点呢。

2.1 PPC/TPC模型

这两种模型思想类似,就是让每一个到来的连接一边自己做事去,别再来烦我。只是PPC是为它开了一个进程,而TPC开了一个线程。可是别烦我是有代价的,它要时间和空间啊,连接多了之后,那么多的进程/线程切换,这开销就上来了;因此这类模型能接受的最大连接数都不会高,一般在几百个左右。

2.2 select模型

1. 最大并发数限制,因为一个进程所打开的FD(文件描述符)是有限制的,由FD_SETSIZE设置,默认值是1024/2048,因此Select模型的最大并发数就被相应限制了。自己改改这个FD_SETSIZE?想法虽好,可是先看看下面吧

2. 效率问题,select每次调用都会线性扫描全部的FD集合,这样效率就会呈现线性下降,把FD_SETSIZE改大的后果就是,大家都慢慢来,什么?都超时了??!!

3. 内核/用户空间内存拷贝问题,如何让内核把FD消息通知给用户空间呢?在这个问题上select采取了内存拷贝方法,每次调用select,都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态。

2.3 poll模型

基本上效率和select是相同的,select缺点的23它都没有改掉。

3. Epoll的提升

把其他模型逐个批判了一下,再来看看Epoll的改进之处吧,其实把select的缺点反过来那就是Epoll的优点了。

3.1. Epoll没有最大并发连接的限制,上限是最大可以打开文件的数目,这个数字一般远大于2048, 一般来说这个数目和系统内存关系很大,具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。

3.2. 效率提升,Epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接,而跟连接总数无关,因此在实际的网络环境中,Epoll的效率就会远远高于selectpoll

3.3. 内存拷贝,Epoll在这点上使用了“共享内存”,这个内存拷贝也省略了。

 

4. Epoll为什么高效

Epoll的高效和其数据结构的设计是密不可分的,这个下面就会提到。

首先回忆一下select模型,当有I/O事件到来时,select通知应用程序有事件到了快去处理,而应用程序必须轮询所有的FD集合,测试每个FD是否有事件发生,并处理事件

Epoll不仅会告诉应用程序有I/0事件到来,还会告诉应用程序相关的信息,这些信息是应用程序填充的,因此根据这些信息应用程序就能直接定位到事件,而不必遍历整个FD集合。


6. 使用Epoll

既然Epoll相比select这么好,那么用起来如何呢?会不会很繁琐啊先看看下面的三个函数吧,就知道Epoll的易用了。

 

intepoll_create(int size);

生成一个Epoll专用的文件描述符,其实是申请一个内核空间,用来存放你想关注的socket fd上是否发生以及发生了什么事件。size就是你在这个Epoll fd上能关注的最大socket fd数,大小自定,只要内存足够。

intepoll_ctl(int epfd, intop, int fd, structepoll_event *event);

控制某个Epoll文件描述符上的事件:注册、修改、删除。其中参数epfdepoll_create()创建Epoll专用的文件描述符。相对于select模型中的FD_SETFD_CLR宏。

intepoll_wait(int epfd,structepoll_event * events,int maxevents,int timeout);

等待I/O事件的发生;参数说明:

epfd:epoll_create() 生成的Epoll专用的文件描述符;

epoll_event:用于回传代处理事件的数组;

maxevents:每次能处理的事件数;

timeout:等待I/O事件发生的超时值;

返回发生事件数。

相对于select模型中的select函数。


 

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Epoll模型主要负责对大量并发用户的请求进行及时处理,完成服务器与客户端的数据交互。其具体的实现步骤如下:
(a) 使用epoll_create()函数创建文件描述,设定将可管理的最大socket描述符数目。
(b) 创建与epoll关联的接收线程,应用程序可以创建多个接收线程来处理epoll上的读通知事件,线程的数量依赖于程序的具体需要。
(c) 创建一个侦听socket描述符ListenSock;将该描述符设定为非阻塞模式,调用Listen()函数在套接字上侦听有无新的连接请求,在 epoll_event结构中设置要处理的事件类型EPOLLIN,工作方式为 epoll_ET,以提高工作效率,同时使用epoll_ctl()注册事件,最后启动网络监视线程。
(d) 网络监视线程启动循环,epoll_wait()等待epoll事件发生。
(e) 如果epoll事件表明有新的连接请求,则调用accept()函数,将用户socket描述符添加到epoll_data联合体,同时设定该描述符为非阻塞,并在epoll_event结构中设置要处理的事件类型为读和写,工作方式为epoll_ET.
(f) 如果epoll事件表明socket描述符上有数据可读,则将该socket描述符加入可读队列,通知接收线程读入数据,并将接收到的数据放入到接收数据的链表中,经逻辑处理后,将反馈的数据包放入到发送数据链表中,等待由发送线程发送。

 

1.不要采用一个连接一个线程的方式,而是尽量利用操作系统的事件多路分离机制
如:UNIX下的 select  linux下的epoll BSD下的kqueue
或者使用这些机制的高层API (boost.asio&&ACE Reactor)
2.尽量使用异步I/O,而不是同步
3.当事件多路分离单线程无法满足并发需求时,将事件多路分离的线程扩展成线程池  

两种方式的区别主要体现在以下几个方面:

  1. select所能控制的I/O数有限,这主要是因为fd_set数据结构是一个有大小的,相当与一个定长所数组。

  2. select每次都需要重新设置所要监控的fd_set(因为调用之后会改变其内容),这增加了程序开销。

  3. select的性能要比epoll差,具体原因会在后续内容中详细说明。

嗯,说道这个为什么select要差,那就要从这个select API说起了。这个传进去一个数组,内部实现也不知道那个有哪个没有,所以要遍历一遍。假设说我只监控一个文件描述符,但是他是1000。那么select需要遍历前999个之后再来poll这个1000的文件描述符,而epoll则不需要,因为在之前epoll_ctl的调用过程中,已经维护了一个队列,所以直接等待事件到来就可以了。

epoll跟select都能提供多路I/O复用的解决方案。在现在的Linux内核里有都能够支持,其中epoll是Linux所特有,而select则应该是POSIX所规定,一般操作系统均有实现

select:

select本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理。这样所带来的缺点是:

1、 单个进程可监视的fd数量被限制,即能监听端口的大小有限。

      一般来说这个数目和系统内存关系很大,具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位机默认是1024个。64位机默认是2048.

2、 对socket进行扫描时是线性扫描,即采用轮询的方法,效率较低:

       当套接字比较多的时候,每次select()都要通过遍历FD_SETSIZE个Socket来完成调度,不管哪个Socket是活跃的,都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间。如果能给套接字注册某个回调函数,当他们活跃时,自动完成相关操作,那就避免了轮询,这正是epoll与kqueue做的。

3、需要维护一个用来存放大量fd的数据结构,这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大

poll:

poll本质上和select没有区别,它将用户传入的数组拷贝到内核空间,然后查询每个fd对应的设备状态,如果设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历,如果遍历完所有fd后没有发现就绪设备,则挂起当前进程,直到设备就绪或者主动超时,被唤醒后它又要再次遍历fd。这个过程经历了多次无谓的遍历。

它没有最大连接数的限制,原因是它是基于链表来存储的,但是同样有一个缺点:

1、大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间,而不管这样的复制是不是有意义。                                                                                                                                      2、poll还有一个特点是“水平触发”,如果报告了fd后,没有被处理,那么下次poll时会再次报告该fd。

epoll:

epoll支持水平触发和边缘触发,最大的特点在于边缘触发,它只告诉进程哪些fd刚刚变为就需态,并且只会通知一次。还有一个特点是,epoll使用“事件”的就绪通知方式,通过epoll_ctl注册fd,一旦该fd就绪,内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd,epoll_wait便可以收到通知

epoll的优点:


1、没有最大并发连接的限制,能打开的FD的上限远大于1024(1G的内存上能监听约10万个端口);
2、效率提升,不是轮询的方式,不会随着FD数目的增加效率下降。只有活跃可用的FD才会调用callback函数;
      即Epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接,而跟连接总数无关,因此在实际的网络环境中,Epoll的效率就会远远高于select和poll。

3、 内存拷贝,利用mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递;即epoll使用mmap减少复制开销。

select、poll、epoll 区别总结:


1、支持一个进程所能打开的最大连接数

select

单个进程所能打开的最大连接数有FD_SETSIZE宏定义,其大小是32个整数的大小(在32位的机器上,大小就是32*32,同理64位机器上FD_SETSIZE为32*64),当然我们可以对进行修改,然后重新编译内核,但是性能可能会受到影响,这需要进一步的测试。

poll

poll本质上和select没有区别,但是它没有最大连接数的限制,原因是它是基于链表来存储的

epoll

虽然连接数有上限,但是很大,1G内存的机器上可以打开10万左右的连接,2G内存的机器可以打开20万左右的连接

2、FD剧增后带来的IO效率问题

select

因为每次调用时都会对连接进行线性遍历,所以随着FD的增加会造成遍历速度慢的“线性下降性能问题”。

poll

同上

epoll

因为epoll内核中实现是根据每个fd上的callback函数来实现的,只有活跃的socket才会主动调用callback,所以在活跃socket较少的情况下,使用epoll没有前面两者的线性下降的性能问题,但是所有socket都很活跃的情况下,可能会有性能问题。

3、 消息传递方式

select

内核需要将消息传递到用户空间,都需要内核拷贝动作

poll

同上

epoll

epoll通过内核和用户空间共享一块内存来实现的。

总结:

综上,在选择select,poll,epoll时要根据具体的使用场合以及这三种方式的自身特点。

1、表面上看epoll的性能最好,但是在连接数少并且连接都十分活跃的情况下,select和poll的性能可能比epoll好,毕竟epoll的通知机制需要很多函数回调。

2、select低效是因为每次它都需要轮询。但低效也是相对的,视情况而定,也可通过良好的设计改善


本文转自   Taxing祥   51CTO博客,原文链接:http://blog.51cto.com/12118369/1964181

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