理解epoll

epoll模型是在單個線程中偵聽多個套接字fd行為的一種IO多路復用模型。主要有epoll_create,epoll_ctl,epoll_wait三個接口。

一蝶桶、epoll的使用

1. 創(chuàng)建epoll句柄

int epfd = epoll_create(intsize);
創(chuàng)建一個epoll的句柄徽千,size用來告訴內(nèi)核這個監(jiān)聽的數(shù)目一共有多大。size就是你在這個epoll fd上能關注的最大socket fd數(shù)翁狐。

2.將被監(jiān)聽的描述符添加到epoll句柄或從epool句柄中刪除或者對監(jiān)聽事件進行修改。

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)
參數(shù):
epfd:由 epoll_create 生成的epoll專用的文件描述符凌蔬;
op:要進行的操作例如注冊事件露懒,可能的取值EPOLL_CTL_ADD 注冊、EPOLL_CTL_MOD 修 改砂心、EPOLL_CTL_DEL 刪除
fd:關聯(lián)的文件描述符懈词;
event:指向epoll_event的指針;
如果調(diào)用成功返回0,不成功返回-1

第一個參數(shù)是epoll_create()的返回值辩诞,
第二個參數(shù)表示動作坎弯,用三個宏來表示:

  • EPOLL_CTL_ADD: 注冊新的fd到epfd中;
  • EPOLL_CTL_MOD: 修改已經(jīng)注冊的fd的監(jiān)聽事件译暂;
  • EPOLL_CTL_DEL: 從epfd中刪除一個fd抠忘;
    第三個參數(shù)是需要監(jiān)聽的fd,
    第四個參數(shù)是告訴內(nèi)核需要監(jiān)聽什么事件外永,structepoll_event結構如下:
typedef union epoll_data {
void *ptr; //指向要附加的數(shù)據(jù)結構
int fd;     //一般設為監(jiān)視的fd
__uint32_t u32;
__uint64_t u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event {
/* Epoll events
events可以是以下幾個宏的集合:
         EPOLLIN:            觸發(fā)該事件崎脉,表示對應的文件描述符上有可讀數(shù)據(jù)。(包括對端SOCKET正常關閉)伯顶;
         EPOLLOUT:         觸發(fā)該事件囚灼,表示對應的文件描述符上可以寫數(shù)據(jù)呛踊;
        EPOLLPRI:           表示對應的文件描述符有緊急的數(shù)據(jù)可讀(這里應該表示有帶外數(shù)據(jù)到來);
        EPOLLERR:        表示對應的文件描述符發(fā)生錯誤啦撮;
         EPOLLHUP:        表示對應的文件描述符被掛斷谭网;
        EPOLLET:           將EPOLL設為邊緣觸發(fā)(Edge Triggered)模式,這是相對于水平觸發(fā)(Level Triggered)來說的赃春。
        EPOLLONESHOT:  只監(jiān)聽一次事件愉择,當監(jiān)聽完這次事件之后,如果還需要繼續(xù)監(jiān)聽這個socket的話织中,需要再次把這個socket加入到EPOLL隊列里锥涕。
 */
__uint32_t events; 
epoll_data_t data; /* User data variable */
};

如要監(jiān)聽服務端套接字的連接,listenfd對對應的socket套接字狭吼,之前已經(jīng)bind和listen好层坠。將它加入到epfd指定的epoll對象中

struct epoll_event ev;
//設置與要處理的事件相關的文件描述符
ev.data.fd=listenfd;
//設置要處理的事件類型
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
//注冊epoll事件
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);

3.等待事件觸發(fā),當超過timeout還沒有事件觸發(fā)時刁笙,就超時破花。

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, intmaxevents, int timeout);
函數(shù)聲明:int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event * events,int maxevents,int timeout)
該函數(shù)用于輪詢I/O事件的發(fā)生;參數(shù):
epfd:由epoll_create 生成的epoll專用的文件描述符疲吸;
epoll_event:用于回傳代處理事件的數(shù)組座每,已經(jīng)分配好內(nèi)存;
maxevents:每次能處理的最大事件數(shù)摘悴;
timeout:等待I/O事件發(fā)生的超時值(單位我也不太清楚)峭梳;-1相當于阻塞,0相當于非阻塞蹂喻。一般用-1即可
返回發(fā)生事件數(shù)葱椭。

二、epoll的原理

本節(jié)會以示例和圖表來講解epoll的原理和流程口四。

1.創(chuàng)建epoll對象

如下圖所示孵运,當某個進程調(diào)用epoll_create方法時,內(nèi)核會創(chuàng)建一個eventpoll對象(也就是程序中epfd所代表的對象)窃祝。eventpoll對象也是文件系統(tǒng)中的一員掐松,和socket一樣踱侣,它也會有等待隊列粪小。

內(nèi)核創(chuàng)建eventpoll對象

創(chuàng)建一個代表該epoll的eventpoll對象是必須的,因為內(nèi)核要維護“就緒列表”等數(shù)據(jù)抡句,“就緒列表”可以作為eventpoll的成員探膊。

2.維護監(jiān)視列表

創(chuàng)建epoll對象后,可以用epoll_ctl添加或刪除所要監(jiān)聽的socket待榔。以添加socket為例逞壁,如下圖流济,如果通過epoll_ctl添加sock1、sock2和sock3的監(jiān)視腌闯,內(nèi)核會將eventpoll添加到這三個socket的等待隊列中绳瘟。

添加所要監(jiān)聽的socket

當socket收到數(shù)據(jù)后,中斷程序會操作eventpoll對象姿骏,而不是直接操作進程糖声。

3.接收數(shù)據(jù)

當socket收到數(shù)據(jù)后,中斷程序會給eventpoll的“就緒列表”添加socket引用分瘦。如下圖展示的是sock2和sock3收到數(shù)據(jù)后蘸泻,中斷程序讓rdlist引用這兩個socket。

給就緒列表添加引用

eventpoll對象相當于是socket和進程之間的中介嘲玫,socket的數(shù)據(jù)接收并不直接影響進程悦施,而是通過改變eventpoll的就緒列表來改變進程狀態(tài)。

當程序執(zhí)行到epoll_wait時去团,如果rdlist已經(jīng)引用了socket抡诞,那么epoll_wait直接返回,如果rdlist為空土陪,阻塞進程沐绒。

4.阻塞和喚醒進程

假設計算機中正在運行進程A和進程B,在某時刻進程A運行到了epoll_wait語句旺坠。如下圖所示乔遮,內(nèi)核會將進程A放入eventpoll的等待隊列中,阻塞進程取刃。

epoll_wait阻塞進程

當socket接收到數(shù)據(jù)蹋肮,中斷程序一方面修改rdlist,另一方面喚醒eventpoll等待隊列中的進程璧疗,進程A再次進入運行狀態(tài)(如下圖)坯辩。也因為rdlist的存在,進程A可以知道哪些socket發(fā)生了變化崩侠。

epoll喚醒進程

三漆魔、epoll的實現(xiàn)細節(jié)

讀完這篇文章,還有三個問題需要細究一下却音。

  1. eventpoll的數(shù)據(jù)結構是什么樣子改抡?
  2. 就緒隊列應該應使用什么數(shù)據(jù)結構?
  3. eventpoll應使用什么數(shù)據(jù)結構來管理通過epoll_ctl添加或刪除的socket系瓢?

如下圖所示阿纤,eventpoll包含了lock、mtx夷陋、wq(等待隊列)欠拾、rdlist等成員胰锌。rdlist和rbr是我們所關心的。

epoll原理示意圖

1. 就緒列表的數(shù)據(jù)結構

  • 就緒列表引用著就緒的socket藐窄,所以它應能夠快速的插入數(shù)據(jù)资昧。
  • 程序可能隨時調(diào)用epoll_ctl添加監(jiān)視socket,也可能隨時刪除荆忍。當刪除時榛搔,若該socket已經(jīng)存放在就緒列表中,它也應該被移除东揣。

所以就緒列表應是一種能夠快速插入和刪除的數(shù)據(jù)結構践惑。雙向鏈表就是這樣一種數(shù)據(jù)結構,epoll使用雙向鏈表來實現(xiàn)就緒隊列(對應上圖的rdllist)嘶卧。

2.索引結構

既然epoll將“維護監(jiān)視隊列”和“進程阻塞”分離尔觉,也意味著需要有個數(shù)據(jù)結構來保存監(jiān)視的socket。至少要方便的添加和移除芥吟,還要便于搜索侦铜,以避免重復添加。紅黑樹是一種自平衡二叉查找樹钟鸵,搜索钉稍、插入和刪除時間復雜度都是O(log(N)),效率較好棺耍。epoll使用了紅黑樹作為索引結構(對應上圖的rbr)贡未,存儲所監(jiān)視的socket fd。

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