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详解I/O多路转接之select
I/O多路转接之poll
操作流程：
- 定义监控的描述符事件结构体数组，将需要监控的描述符以及时间标识信息，添加到数组的各个节点中
- 发起调用开始监控，将描述符事件结构体数组，拷贝到内核中进行轮询遍历判断，若有就绪/等待超时则调用返回，并且在每个描述符对应的事件结构体中，标识当前就绪的事件。
- 进程轮询遍历，判断数组中的每个节点中的就绪事件是哪个事件，决定是否就绪了以及如何对描述符进行操作
接口认识：
int poll(struct pollfd *arr_fds, nfds_t nfds,int timeout)
- arr_fds：事件结构体数组，填充要监控的描述符以及事件信息
- nfds：数组中的有效节点个数（数组有可能会很大，但是需要监控的节点只有前nfds个）
- timeout：监控的超市等待时间—单位：毫秒
返回值：>1表示就绪的描述符事件个数；
返回值==0–等待超时；
<0–表示监控出错
poll监控采用事件结构体的形式：
struct poolfd{int fd;//要监控的描述符short events;//要监控的事件short revents;//调用返回时填充的就绪事件
}
events和revents的取值：
poll优缺点
poll的优点
- poll使用一个pollfd的指针实现.
- pollfd结构包含了要监视的event和发生的event，不再使用select“参数-值”传递的方式. 接口使用比select更方便.
- poll并没有最大数量限制 (但是数量过大后性能也是会下降).
poll的缺点
- poll中监听的文件描述符数目增多时和select函数一样，poll返回后，需要轮询pollfd来获取就绪的描述符.
- 每次调用poll都需要把大量的pollfd结构从用户态拷贝到内核中.
- 同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的处于就绪状态, 因此随着监视的描述符数量的增长, 其效率也会线性下降.
使用poll监控标准输入
#include <poll.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main(){struct pollfd poll_fd;poll_fd.fd = 0; poll_fd.events = POLLIN;for (;;) {int ret = poll(&poll_fd, 1, 1000);if (ret < 0) {perror("poll");continue;}if (ret == 0) {printf("poll timeout\n");continue;}if (poll_fd.revents == POLLIN) {char buf[1024] = {0};read(0, buf, sizeof(buf) - 1);printf("stdin:%s", buf);}}
}
I/O多路转接之epoll
操作流程：
- 在内核中创建epool句柄epollevent结构体（这个结构体包含很多信息，红黑树+双向链表）
- 发起调用对内核中的epollevent结构添加/删除/修改所监控的描述符监控信息
- 发起调用开始监控，在内核中采用异步阻塞操作实现监控，等待超时/有描述符就绪了事件调用返回，返回给用户就绪描述符的事件结构体信息
- 进程直接对就绪的事件结构体中的描述符成员进行操作即可
接口信息
1.创建epoll句柄
int epoll_create(int size//创建epoll句柄//size：在linux2.6.2之后被忽略，只要大于0即可//返回值：文件描述符---epoll的操作句柄
2.epoll事件注册
int epoll_ctl(int epfd, int cmd, int fd, struct epoll_event* ev);
//epfd：epoll_create返回的操作句柄
//cmd：针对fd描述符的监控信息要进行的操作-添加/删除/修改 EPOLL_CTL_ADD/EPOLL_CTL_DEL/EPOLL_CTL_MOD
//fd：要监控操作的描述符
//ev：fd描述符对应的事件结构体信息
struct epoll_event{
uint32_t events;//对fd描述符要监控的事件--EPOLLIN/EPOLLOUT
union{int fd; void *ptr;}data;//要填充的描述符信息
}
events可以是以下几个宏的集合：
- EPOLLIN : 表示对应的文件描述符可以读 (包括对端SOCKET正常关闭);
- EPOLLOUT : 表示对应的文件描述符可以写;
- EPOLLPRI : 表示对应的文件描述符有紧急的数据可读 (这里应该表示有带外数据到来);
- EPOLLERR : 表示对应的文件描述符发生错误;
- EPOLLHUP : 表示对应的文件描述符被挂断;
- EPOLLET : 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式, 这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的.
- EPOLLONESHOT：只监听一次事件, 当监听完这次事件之后, 如果还需要继续监听这个socket的话, 需要 再次把这个socket加入到EPOLL队列里.
一旦epoll开始监控，描述符若就绪了进行关心的事件，则就会给用户返回我们所添加的对应时间结构体信息，通过时间结构体信息中所包含的描述符进行操作—因此第三个参数与结构体中的fd描述符通常是同一个描述符
3.开始监控
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event* evs,int max_event, int timeout);
//epfd：epoll操作句柄
//evs：struct epoll_event结构体数组的首地址，用于接收就绪描述符对应的时间结构体信息
//max_event：本次监控想要获取的就绪事件的最大数量，不大于evs数组的最大节点个数，防止访问越界
//timeout：超市等待时间单位：毫秒
返回值：>0–就绪的事件个数
==0–等待超时
<0–监控出错
epoll的监控原理：异步阻塞操作
监控由系统完成，用户添加的描述符以及对应事件结构体会被添加到内核的eventpoll结构体中的红黑树中
一旦发起调用开始监控，则操作系统为每个操作符的事件做了一个回调函数，功能室当描述符就绪了关心的事件，则将描述符对应的事件结构体添加到双向链表中
进程自身，只是每隔一段时间，判断双向链表是否为NULL，决定是否有就绪
4.进程遍历获取evs中就绪的事件结构体信息，针对其中的events就绪时间对data.fd进行相应操作
epoll原理
- 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.
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，当响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.
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. 这个操作的时间复杂度是O(1).
epoll的使用过程就是三部曲:
- 调用epoll_create创建一个epoll句柄;
- 调用epoll_ctl, 将要监控的文件描述符进行注册
- 调用epoll_wait, 等待文件描述符就绪;
epoll的优点(和 select 的缺点对应)
- 接口使用方便: 虽然拆分成了三个函数, 但是反而使用起来更方便高效. 不需要每次循环都设置关注的文件描述符, 也做到了输入输出参数分离开数据拷贝轻量: 只在合适的时候调用 EPOLL_CTL_ADD 将文件描述符结构拷贝到内核中, 这个操作并不频繁(而select/poll都是每次循环都要进行拷贝)
- 事件回调机制: 避免使用遍历, 而是使用回调函数的方式, 将就绪的文件描述符结构加入到就绪队列中,
- epoll_wait 返回直接访问就绪队列就知道哪些文件描述符就绪. 这个操作时间复杂度O(1). 即使文件描述符数目很多, 效率也不会受到影响.
- 没有数量限制: 文件描述符数目无上限.
epoll工作方式
水平触发Level Triggered 工作模式
- epoll默认状态下就是LT工作模式.
- 当epoll检测到socket上事件就绪的时候, 可以不立刻进行处理. 或者只处理一部分.
- 如上面的例子, 由于只读了1K数据, 缓冲区中还剩1K数据, 在第二次调用 epoll_wait 时, epoll_wait仍然会立刻返回并通知socket读事件就绪.
- 直到缓冲区上所有的数据都被处理完, epoll_wait 才不会立刻返回.
支持阻塞读写和非阻塞读写
边缘触发Edge Triggered工作模式
如果我们在第1步将socket添加到epoll描述符的时候使用了EPOLLET标志, epoll进入ET工作模式.
- 当epoll检测到socket上事件就绪时, 必须立刻处理.
- 如上面的例子, 虽然只读了1K的数据, 缓冲区还剩1K的数据, 在第二次调用 epoll_wait 的时候,epoll_wait 不会再返回了.
- 也就是说, ET模式下, 文件描述符上的事件就绪后, 只有一次处理机会.
- ET的性能比LT性能更高( epoll_wait 返回的次数少了很多). Nginx默认采用ET模式使用epoll.
- 只支持非阻塞的读写
epoll的使用场景
epoll的高性能, 是有一定的特定场景的. 如果场景选择的不适宜, epoll的性能可能适得其反.
对于多连接, 且多连接中只有一部分连接比较活跃时, 比较适合使用epoll.
例如, 典型的一个需要处理上万个客户端的服务器, 例如各种互联网APP的入口服务器, 这样的服务器就很适合epoll.
如果只是系统内部, 服务器和服务器之间进行通信, 只有少数的几个连接, 这种情况下用epoll就并不合适. 具体要根据需求和场景特点来决定使用哪种IO模型.
封装一个epoll类
#include<cstdio>
#include"tcpsock.hpp"
#include<vector>
#include<sys/epoll.h>
#define MAX_TIMEOUT 3000
class Epoll
{
public:Epoll():_epfd(-1){_epfd=epoll_create(1);if(_epfd<0){perror("create epoll error\n");exit(-1);}}bool Add(TcpSocket &sock){//2.添加描述符监控事件信息//获取描述符int fd=sock.GetFd();//定义描述符对应的事件结构体struct epoll_event ev;ev.events=EPOLLIN;ev.data.fd=fd;//添加到内核中int ret=epoll_ctl(_epfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev);if(ret<0){perror("epoll ctl error\n");return false;}return true;}bool Del(TcpSocket &sock){int fd=sock.GetFd();int ret=epoll_ctl(_epfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,NULL);if(ret<0){perror("epoll ctl error\n");return false;}return true;}bool Wait(std::vector<TcpSocket> *list,int timeout=MAX_TIMEOUT){struct epoll_event evs[10];int nfds=epoll_wait(_epfd,evs,10,timeout);if(nfds<0){perror("epoll wait error\n");return false;}else if(nfds==0){printf("epoll wait timeout\n");list->clear();return true;}for(int i=0;i<nfds;i++){if(evs[i].events&EPOLLIN){TcpSocket sock;sock.SetFd(evs[i].data.fd);list->push_back(sock);}}return true;}
private:int _epfd;
};