一篇揭秘Linux高性能服务epoll 的本质

导语

epoll接口是为解决Linux内核处理大量文件描述符而提出的方案。该接口属于Linux下多路I/O复用接口中select/poll的增强。其经常应用于Linux下高并发服务型程序，特别是在大量并发连接中只有少部分连接处于活跃下的情况 (通常是这种情况)，在该情况下能显著的提高程序的CPU利用率。本篇详细解读了epoll的用法，希望大家能有所收获！

正文

设想一个场景：有100万用户同时与一个进程保持着TCP连接，而每一时刻只有几十个或几百个TCP连接是活跃的(接收TCP包)，也就是说在每一时刻进程只需要处理这100万连接中的一小部分连接。那么，如何才能高效的处理这种场景呢？进程是否在每次询问操作系统收集有事件发生的TCP连接时，把这100万个连接告诉操作系统，然后由操作系统找出其中有事件发生的几百个连接呢？实际上，在 Linux2.4 版本以前，那时的select 或者 poll 事件驱动方式是这样做的。


这里有个非常明显的问题，即在某一时刻，进程收集有事件的连接时，其实这100万连接中的大部分都是没有事件发生的。因此如果每次收集事件时，都把100万连接的套接字传给操作系统（这首先是用户态内存到内核态内存的大量复制），而由操作系统内核寻找这些连接上有没有未处理的事件，将会是巨大的资源浪费，然后select和poll就是这样做的，因此它们最多只能处理几千个并发连接。而epoll不这样做，它在Linux内核中申请了一个简易的文件系统，把原先的一个select或poll调用分成了3部分：

int epoll_create(int size);  
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);  
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,int maxevents, int timeout);

1、调用 epoll_create 建立一个 epoll 对象（在epoll文件系统中给这个句柄分配资源）；
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 收集发生事件的连接。


这样只需要在进程启动时建立 1 个 epoll 对象，并在需要的时候向它添加或删除连接就可以了，因此，在实际收集事件时，epoll_wait 的效率就会非常高，因为调用 epoll_wait 时并没有向它传递这100万个连接，内核也不需要去遍历全部的连接。


一、epoll原理详解

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，如下所示：

struct eventpoll {
　　...
　　/*红黑树的根节点，这棵树中存储着所有添加到epoll中的事件，
　　也就是这个epoll监控的事件*/
　　struct rb_root rbr;
　　/*双向链表rdllist保存着将要通过epoll_wait返回给用户的、满足条件的事件*/
　　struct list_head rdllist;
　　...
};

我们在调用 epoll_create 时，内核除了帮我们在 epoll 文件系统里建了个 file 结点，在内核 cache 里建了个红黑树用于存储以后 epoll_ctl 传来的 socket 外，还会再建立一个 rdllist 双向链表，用于存储准备就绪的事件，当 epoll_wait 调用时，仅仅观察这个 rdllist 双向链表里有没有数据即可。有数据就返回，没有数据就sleep，等到 timeout 时间到后即使链表没数据也返回。所以epoll_wait 非常高效。


所有添加到epoll中的事件都会与设备(如网卡)驱动程序建立回调关系，也就是说相应事件的发生时会调用这里的回调方法。这个回调方法在内核中叫做ep_poll_callback，它会把这样的事件放到上面的rdllist双向链表中。


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 {
　　...
　　//红黑树节点
　　struct rb_node rbn;
　　//双向链表节点
　　struct list_head rdllink;
　　//事件句柄等信息
　　struct epoll_filefd ffd;
　　//指向其所属的eventepoll对象
　　struct eventpoll *ep;
　　//期待的事件类型
　　struct epoll_event event;
　　...
}; // 这里包含每一个事件对应着的信息。

当调用 epoll_wait 检查是否有发生事件的连接时，只是检查eventpoll对象中的rdllist双向链表是否有epitem元素而已，如果rdllist链表不为空，则这里的事件复制到用户态内存（使用共享内存提高效率）中，同时将事件数量返回给用户。因此epoll_waitx效率非常高。epoll_ctl在向epoll对象中添加、修改、删除事件时，从rbr红黑树中查找事件也非常快，也就是说epoll是非常高效的，它可以轻易地处理百万级别的并发连接。

【总结】：

一颗红黑树，一张准备就绪句柄链表，少量的内核cache，就帮我们解决了大并发下的socket处理问题.

  • 执行epoll_create() 时，创建了红黑树和就绪链表;
  • 执行 epoll_ctl() 时，如果增加 socket 句柄，则检查在红黑树中是否存在，存在立即返回，不存在则添加到树干上，然后向内核注册回调函数，用于当中断事件来临时向准备就绪链表中插入数据;
  • 执行 epoll_wait() 时立刻返回准备就绪链表里的数据即可。

二、epoll 的两种触发模式

epoll有EPOLLLT和EPOLLET两种触发模式，LT是默认的模式，ET是“高速”模式。

  • LT（水平触发）模式下，只要这个文件描述符还有数据可读，每次 epoll_wait都会返回它的事件，提醒用户程序去操作；
  • ET（边缘触发）模式下，在它检测到有 I/O 事件时，通过 epoll_wait 调用会得到有事件通知的文件描述符，对于每一个被通知的文件描述符，如可读，则必须将该文件描述符一直读到空，让 errno 返回 EAGAIN 为止，否则下次的 epoll_wait 不会返回余下的数据，会丢掉事件。


如果ET模式不是非阻塞的，那这个一直读或一直写势必会在最后一次阻塞。


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为什么要有ET触发模式？】：
如果采用 EPOLLLT 模式的话，系统中一旦有大量你不需要读写的就绪文件描述符，它们每次调用epoll_wait都会返回，这样会大大降低处理程序检索自己关心的就绪文件描述符的效率.。而采用EPOLLET这种边缘触发模式的话，当被监控的文件描述符上有可读写事件发生时，epoll_wait()会通知处理程序去读写。如果这次没有把数据全部读写完(如读写缓冲区太小)，那么下次调用epoll_wait()时，它不会通知你，也就是它只会通知你一次，直到该文件描述符上出现第二次可读写事件才会通知你！！！这种模式比水平触发效率高，系统不会充斥大量你不关心的就绪文件描述符。

【总结】：

ET模式（边缘触发）

  • 只有数据到来才触发，不管缓存区中是否还有数据，缓冲区剩余未读尽的数据不会导致epoll_wait返回；
  • 边沿触发模式很大程度上降低了同一个epoll事件被重复触发的次数，所以效率更高；
  • 对于读写的connfd，边缘触发模式下，必须使用非阻塞IO，并要一次性全部读写完数据。
  • ET的编程可以做到更加简洁，某些场景下更加高效，但另一方面容易遗漏事件，容易产生bug；

LT 模式（水平触发，默认）

  • 只要有数据都会触发，缓冲区剩余未读尽的数据会导致epoll_wait返回；
  • LT比ET多了一个开关EPOLLOUT事件(系统调用消耗，上下文切换）的步骤；
  • 对于监听的sockfd，最好使用水平触发模式（参考nginx），边缘触发模式会导致高并发情况下，有的客户端会连接不上，LT适合处理紧急事件；
  • 对于读写的connfd，水平触发模式下，阻塞和非阻塞效果都一样，不过为了防止特殊情况，还是建议设置非阻塞；
  • LT的编程与poll/select接近，符合一直以来的习惯，不易出错；

总之，各有优缺点，需要根据业务场景选择最合适的模式。

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三、epoll反应堆模型

【epoll模型原来的流程】：

epoll_create(); // 创建监听红黑树
epoll_ctl(); // 向书上添加监听fd
epoll_wait(); // 监听
有监听fd事件发送--->返回监听满足数组--->判断返回数组元素--->
lfd满足accept--->返回cfd---->read()读数据--->write()给客户端回应。

【epoll反应堆模型的流程】：

epoll_create(); // 创建监听红黑树
epoll_ctl(); // 向书上添加监听fd
epoll_wait(); // 监听
有客户端连接上来--->lfd调用acceptconn()--->将cfd挂载到红黑树上监听其读事件--->
epoll_wait()返回cfd--->cfd回调recvdata()--->将cfd摘下来监听写事件--->
epoll_wait()返回cfd--->cfd回调senddata()--->将cfd摘下来监听读事件--->...--->


【Demo】：

#include <stdio.h>#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h>#include <unistd.h>#include <errno.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <time.h>#define MAX_EVENTS 1024 /*监听上限*/
#define BUFLEN  4096    /*缓存区大小*/
#define SERV_PORT 6666  /*端口号*/

void recvdata(int fd,int events,void *arg);
void senddata(int fd,int events,void *arg);

/*描述就绪文件描述符的相关信息*/
struct myevent_s
{
    int fd;             //要监听的文件描述符
    int events;         //对应的监听事件，EPOLLIN和EPLLOUT
    void *arg;          //指向自己结构体指针
    void (*call_back)(int fd,int events,void *arg); //回调函数
    int status;         //是否在监听:1->在红黑树上(监听), 0->不在(不监听)
    char buf[BUFLEN];   
    int len;
    long last_active;   //记录每次加入红黑树 g_efd 的时间值
};

int g_efd;      //全局变量，作为红黑树根
struct myevent_s g_events[MAX_EVENTS+1];    //自定义结构体类型数组. +1-->listen fd

/*
 * 封装一个自定义事件，包括fd，这个fd的回调函数，还有一个额外的参数项
 * 注意：在封装这个事件的时候，为这个事件指明了回调函数，一般来说，一个fd只对一个特定的事件
 * 感兴趣，当这个事件发生的时候，就调用这个回调函数
 */
void eventset(struct myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int fd,int events,void *arg), void *arg)
{
    ev->fd = fd;
    ev->call_back = call_back;
    ev->events = 0;
    ev->arg = arg;
    ev->status = 0;
    if(ev->len <= 0)
    {
        memset(ev->buf, 0, sizeof(ev->buf));
        ev->len = 0;
    }
    ev->last_active = time(NULL); //调用eventset函数的时间
    return;
}

/* 向 epoll监听的红黑树 添加一个文件描述符 */
void eventadd(int efd, int events, struct myevent_s *ev)
{
    struct epoll_event epv={0, {0}};
    int op = 0;
    epv.data.ptr = ev; // ptr指向一个结构体（之前的epoll模型红黑树上挂载的是文件描述符cfd和lfd，现在是ptr指针）
    epv.events = ev->events = events; //EPOLLIN 或 EPOLLOUT
    if(ev->status == 0)       //status 说明文件描述符是否在红黑树上 0不在，1 在
    {
        op = EPOLL_CTL_ADD; //将其加入红黑树 g_efd, 并将status置1
        ev->status = 1;
    }
    if(epoll_ctl(efd, op, ev->fd, &epv) < 0) // 添加一个节点
        printf("event add failed [fd=%d],events[%d]\n", ev->fd, events);
    else
        printf("event add OK [fd=%d],events[%0X]\n", ev->fd, events);
    return;
}

/* 从epoll 监听的 红黑树中删除一个文件描述符*/
void eventdel(int efd,struct myevent_s *ev)
{
    struct epoll_event epv = {0, {0}};
    if(ev->status != 1) //如果fd没有添加到监听树上，就不用删除，直接返回
        return;
    epv.data.ptr = NULL;
    ev->status = 0;
    epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);
    return;
}

/*  当有文件描述符就绪, epoll返回, 调用该函数与客户端建立链接 */
void acceptconn(int lfd,int events,void *arg)
{
    struct sockaddr_in cin;
    socklen_t len = sizeof(cin);
    int cfd, i;
    if((cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cin, &len)) == -1)
    {
        if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)
        {
            sleep(1);
        }
        printf("%s:accept,%s\n",__func__, strerror(errno));
        return;
    }
    do
    {
        for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++) //从全局数组g_events中找一个空闲元素，类似于select中找值为-1的元素
        {
            if(g_events[i].status ==0)
                break;
        }
        if(i == MAX_EVENTS) // 超出连接数上限
        {
            printf("%s: max connect limit[%d]\n", __func__, MAX_EVENTS);
            break;
        }
        int flag = 0;
        if((flag = fcntl(cfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0) //将cfd也设置为非阻塞
        {
            printf("%s: fcntl nonblocking failed, %s\n", __func__, strerror(errno));
            break;
        }
        eventset(&g_events[i], cfd, recvdata, &g_events[i]); //找到合适的节点之后，将其添加到监听树中，并监听读事件
        eventadd(g_efd, EPOLLIN, &g_events[i]);
    }while(0);

    printf("new connect[%s:%d],[time:%ld],pos[%d]",inet_ntoa(cin.sin_addr), ntohs(cin.sin_port), g_events[i].last_active, i);
    return;
}

/*读取客户端发过来的数据的函数*/
void recvdata(int fd, int events, void *arg)
{
    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)arg;
    int len;

    len = recv(fd, ev->buf, sizeof(ev->buf), 0);    //读取客户端发过来的数据

    eventdel(g_efd, ev);                            //将该节点从红黑树上摘除

    if (len > 0) 
    {
        ev->len = len;
        ev->buf[len] = '\0';                        //手动添加字符串结束标记
        printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buf);                  

        eventset(ev, fd, senddata, ev);             //设置该fd对应的回调函数为senddata    
        eventadd(g_efd, EPOLLOUT, ev);              //将fd加入红黑树g_efd中,监听其写事件    

    } 
    else if (len == 0) 
    {
        close(ev->fd);
        /* ev-g_events 地址相减得到偏移元素位置 */
        printf("[fd=%d] pos[%ld], closed\n", fd, ev-g_events);
    } 
    else 
    {
        close(ev->fd);
        printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno));
    }   
    return;
}

/*发送给客户端数据*/
void senddata(int fd, int events, void *arg)
{
    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)arg;
    int len;

    len = send(fd, ev->buf, ev->len, 0);    //直接将数据回射给客户端

    eventdel(g_efd, ev);                    //从红黑树g_efd中移除

    if (len > 0) 
    {
        printf("send[fd=%d], [%d]%s\n", fd, len, ev->buf);
        eventset(ev, fd, recvdata, ev);     //将该fd的回调函数改为recvdata
        eventadd(g_efd, EPOLLIN, ev);       //重新添加到红黑树上，设为监听读事件
    }
    else 
    {
        close(ev->fd);                      //关闭链接
        printf("send[fd=%d] error %s\n", fd, strerror(errno));
    }
    return ;
}

/*创建 socket, 初始化lfd */

void initlistensocket(int efd, short port)
{
    struct sockaddr_in sin;

    int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    fcntl(lfd, F_SETFL, O_NONBLOCK);                //将socket设为非阻塞

    memset(&sin, 0, sizeof(sin));               //bzero(&sin, sizeof(sin))
    sin.sin_family = AF_INET;
    sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    sin.sin_port = htons(port);

    bind(lfd, (struct sockaddr *)&sin, sizeof(sin));

    listen(lfd, 20);

    /* void eventset(struct myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void *), void *arg);  */
    eventset(&g_events[MAX_EVENTS], lfd, acceptconn, &g_events[MAX_EVENTS]);    

    /* void eventadd(int efd, int events, struct myevent_s *ev) */
    eventadd(efd, EPOLLIN, &g_events[MAX_EVENTS]);  //将lfd添加到监听树上，监听读事件

    return;
}

int main()
{
    int port=SERV_PORT;

    g_efd = epoll_create(MAX_EVENTS + 1); //创建红黑树,返回给全局 g_efd
    if(g_efd <= 0)
            printf("create efd in %s err %s\n", __func__, strerror(errno));

    initlistensocket(g_efd, port); //初始化监听socket

    struct epoll_event events[MAX_EVENTS + 1];  //定义这个结构体数组，用来接收epoll_wait传出的满足监听事件的fd结构体
    printf("server running:port[%d]\n", port);

    int checkpos = 0;
    int i;
    while(1)
    {
    /*    long now = time(NULL);
        for(i=0; i < 100; i++, checkpos++)
        {
            if(checkpos == MAX_EVENTS);
                checkpos = 0;
            if(g_events[checkpos].status != 1)
                continue;
            long duration = now -g_events[checkpos].last_active;
            if(duration >= 60)
            {
                close(g_events[checkpos].fd);
                printf("[fd=%d] timeout\n", g_events[checkpos].fd);
                eventdel(g_efd, &g_events[checkpos]);
            }
        } */
        //调用eppoll_wait等待接入的客户端事件,epoll_wait传出的是满足监听条件的那些fd的struct epoll_event类型
        int nfd = epoll_wait(g_efd, events, MAX_EVENTS+1, 1000);
        if (nfd < 0)
        {
            printf("epoll_wait error, exit\n");
            exit(-1);
        }
        for(i = 0; i < nfd; i++)
        {
            //evtAdd()函数中，添加到监听树中监听事件的时候将myevents_t结构体类型给了ptr指针
            //这里epoll_wait返回的时候，同样会返回对应fd的myevents_t类型的指针
            struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)events[i].data.ptr;
            //如果监听的是读事件，并返回的是读事件
            if((events[i].events & EPOLLIN) &&(ev->events & EPOLLIN))
            {
                ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
            }
            //如果监听的是写事件，并返回的是写事件
            if((events[i].events & EPOLLOUT) && (ev->events & EPOLLOUT))
            {
                ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
            }
        }
    }
    return 0;
}

最后学习epoll一些建议

  • 需要深入理解epoll LT和ET方式下的读写差别，怎么优雅地处理各种错误；
  • 需要关注多线程负载均衡，惊群效应等问题，要用 epoll 实现负载均衡并且避免数据竞争，必须掌握好 EPOLLONESHOT 和 EPOLLEXCLUSIVE 这两个标志；
  • 理解epoll不足之处：
    1.定时的精度不够，只到5ms级别，select可以到0.1ms；
    2.当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；
    3.epoll_ctrl每次只能够修改一个fd（kevent可以一次改多个，每次修改，epoll需要一个系统调用，不能 batch 操作，可能会影响性能）。
    4.可能会在定时到期之前返回，导致还需要下一个epoll_wait调用。

原文作者：极客重生

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企业是经济活动的参与主体。一个城市的企业数量决定了这个城市的经济发展水平&#xff01;比如一个城市的金融企业较多&#xff0c;那这个城市的金融产业肯定比较发达&#xff1b;一个城市的制造业企业较多&#xff0c;那这个城市的制造业肯定比较发达。 本次我们为大家带来的…
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jumpserver任意密码重置漏洞-CVE-2023-42820

jumpserver任意密码重置漏洞-CVE-2023-42820

目录 jumpserver 环境搭建 这里用的是vulhub靶场 进入 jumpserver 的目录 修改配置文件 config.env 里面的 DOMAINS 参数为kali的地址 运行环境&#xff0c;第一次运行的话会拉取文件&#xff0c;要耐心等待。 命令&#xff1a; 查看docker容器 命令&#xff1a; 用浏…
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【分享】Excel“只读方式”的两种模式

【分享】Excel“只读方式”的两种模式

查阅Excel表格的时候&#xff0c;担心不小心修改了内容&#xff0c;可以给Excel设置以“只读方式”打开&#xff0c;这样就算修改了内容也不能直接保存表格。Excel表格可以设置两种“只读方式”&#xff0c;一起来看看吧&#xff01; “只读方式” 1&#xff1a; 打开Excel表…
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找工作什么平台最可靠

找工作什么平台最可靠

吉鹿力招聘网是最可靠的找工作平台。可以直接和HR沟通岗位情况&#xff0c;方便快捷。同时&#xff0c;吉鹿力招聘网还有一些其他功能&#xff0c;比如可以找到更精准的人才&#xff0c;以及专业的招聘网站&#xff0c;可以帮助求职者找到合适的职位。吉鹿力招聘网还有一个特点…
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【Linux进程】进程控制

【Linux进程】进程控制

目录 一、进程创建 1.2 fork函数初识 1.2 fork函数返回值 1.3 写时拷贝 1.4 fork常规用法 1.5 fork调用失败的原因 二、进程终止 2.1 进程退出场景 2.2 进程退出码 2.2.1 用strerror打印错误信息 2.2.2 errno全局变量 2.3 进程常见退出方法 2.3.1 进程正常退出 2…
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Python高级语法----Python的元编程

Python高级语法----Python的元编程

文章目录 装饰器元类反射使用 `__getattr__`, `__setattr__`, 和 `__delattr__`元编程是一种编程技术，它允许程序员在运行时修改、增加或操作程序的结构。在Python中，元编程通常涉及到对类和函数的动态创建和修改，这是通过使用诸如装饰器、元类和反射等高级功能来实现的。 …
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Java整合Redis实现坐标附近查询

Java整合Redis实现坐标附近查询

目录 一、GEO用法引入 二、引入依赖 三、实体类 四、添加位置信息 五、查询位置信息 一、GEO用法引入 GEO&#xff0c;全称Geolocation&#xff0c;代表地理坐标。可以在其中存储地理坐标信息&#xff0c;帮助我们根据经纬度来检索数据。常见的命令有&#xff1a;GEOADD&…
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数列计算

数列计算

题目描述 有一列数是 : 请找出这个数列的规律&#xff0c;编写程序计算并输出这个数列的第项&#xff0c;要求是分数形式&#xff0c;并计算这个数列的前项和 ( 结果四舍五入保留两位小数 ) 输入格式 第一行仅有一个正整数 &#xff08;) 。 输出格式 共有 行&#xff0c;第一…
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5+干湿结合的佳作，可另外添加分析升级

5+干湿结合的佳作，可另外添加分析升级

今天给同学们分享一篇生信文章“PCTAIRE Protein Kinase 1 (PCTK1) Suppresses Proliferation, Stemness,and Chemoresistance in Colorectal Cancer through the BMPR1B-Smad1/5/8 Signaling Pathway”&#xff0c;这篇文章发表在Int J Mol Sci期刊上&#xff0c;影响因子为5.…
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Web APIs——综合案例学生就业统计表

Web APIs——综合案例学生就业统计表

1、学生就业统计表 2、渲染业务 根据持久化数据渲染页面 步骤&#xff1a; ①&#xff1a;读取localstorage本地数据 如果有数据则转换为对象放到变量里面一会使用它渲染页面如果没有则用默认空数组[]为了测试效果&#xff0c;可以先把initData存入本地存储看效果 ②&…
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Monarch Mixer: A Simple Sub-Quadratic GEMM-Based Architecture

Monarch Mixer: A Simple Sub-Quadratic GEMM-Based Architecture

Monarch Mixer: A Simple Sub-Quadratic GEMM-Based Architecture 发于 2023年AI顶会 NeurIPS。 sub-quadratic primitive(次二次原语) GEMMs&#xff08;General Matrix Multiply algorithms&#xff09;是指在许多核心系统上执行的通用矩阵乘法操作的模型。 “causal model…
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