高性能网络设计秘笈：深入剖析Linux网络IO与epoll

2023-07-18 11:49 由华为云开发者联盟发表于 #后端开发

本文分享自华为云社区《高性能网络设计秘笈：深入剖析Linux网络IO与epoll》，作者： Lion Long 。

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：

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：

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。

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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