poll兩種模式淺析(ET or LT)
linux非同步IO淺析
http://hi.baidu.com/_kouu/blog/item/e225f67b337841f42f73b341.html
epoll有兩種模式,Edge Triggered(簡稱ET) 和 Level Triggered(簡稱LT).在採用這兩種模式時要注意的是,如果採用ET模式,那麼僅當狀態發生變化時才會通知,而採用LT模式類似於原來的select/poll操作,只要還有沒有處理的事件就會一直通知.
以程式碼來說明問題:
首先給出server的程式碼,需要說明的是每次accept的連線,加入可讀集的時候採用的都是ET模式,而且接收緩衝區是5位元組的,也就是每次只接收5位元組的資料:
- #include <iostream>
- #include <sys/socket.h>
- #include <sys/epoll.h>
- #include <netinet/in.h>
- #include <arpa/inet.h>
- #include <fcntl.h>
- #include <unistd.h>
- #include <stdio.h>
- #include <errno.h>
- using namespace std;
- #define MAXLINE 5
- #define OPEN_MAX 100
- #define LISTENQ 20
- #define SERV_PORT 5000
- #define INFTIM 1000
- void setnonblocking(int sock)
- {
- int opts;
- opts=fcntl(sock,F_GETFL);
- if(opts<0)
- {
- perror("fcntl(sock,GETFL)");
- exit(1);
- }
- opts = opts|O_NONBLOCK;
- if(fcntl(sock,F_SETFL,opts)<0)
- {
- perror("fcntl(sock,SETFL,opts)");
- exit(1);
- }
- }
- int main()
- {
- int i, maxi, listenfd, connfd, sockfd,epfd,nfds;
- ssize_t n;
- char line[MAXLINE];
- socklen_t clilen;
- //宣告epoll_event結構體的變數,ev用於註冊事件,陣列用於回傳要處理的事件
- struct epoll_event ev,events[20];
- //生成用於處理accept的epoll專用的檔案描述符
- epfd=epoll_create(256);
- struct sockaddr_in clientaddr;
- struct sockaddr_in serveraddr;
- listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
- //把socket設定為非阻塞方式
- //setnonblocking(listenfd);
- //設定與要處理的事件相關的檔案描述符
- ev.data.fd=listenfd;
- //設定要處理的事件型別
- ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
- //ev.events=EPOLLIN;
- //註冊epoll事件
- epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);
- bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr));
- serveraddr.sin_family = AF_INET;
- char *local_addr="127.0.0.1";
- inet_aton(local_addr,&(serveraddr.sin_addr));//htons(SERV_PORT);
- serveraddr.sin_port=htons(SERV_PORT);
- bind(listenfd,(sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr));
- listen(listenfd, LISTENQ);
- maxi = 0;
- for ( ; ; ) {
- //等待epoll事件的發生
- nfds=epoll_wait(epfd,events,20,500);
- //處理所發生的所有事件
- for(i=0;i<nfds;++i)
- {
- if(events[i].data.fd==listenfd)
- {
- connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen);
- if(connfd<0){
- perror("connfd<0");
- exit(1);
- }
- //setnonblocking(connfd);
- char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr);
- cout << "accapt a connection from " << str << endl;
- //設定用於讀操作的檔案描述符
- ev.data.fd=connfd;
- //設定用於注測的讀操作事件
- ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
- //ev.events=EPOLLIN;
- //註冊ev
- epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev);
- }
- else if(events[i].events&EPOLLIN)
- {
- cout << "EPOLLIN" << endl;
- if ( (sockfd = events[i].data.fd) < 0)
- continue;
- if ( (n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0) {
- if (errno == ECONNRESET) {
- close(sockfd);
- events[i].data.fd = -1;
- } else
- std::cout<<"readline error"<<std::endl;
- } else if (n == 0) {
- close(sockfd);
- events[i].data.fd = -1;
- }
- line[n] = '\0';
- cout << "read " << line << endl;
- //設定用於寫操作的檔案描述符
- ev.data.fd=sockfd;
- //設定用於注測的寫操作事件
- ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET;
- //修改sockfd上要處理的事件為EPOLLOUT
- //epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);
- }
- else if(events[i].events&EPOLLOUT)
- {
- sockfd = events[i].data.fd;
- write(sockfd, line, n);
- //設定用於讀操作的檔案描述符
- ev.data.fd=sockfd;
- //設定用於注測的讀操作事件
- ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
- //修改sockfd上要處理的事件為EPOLIN
- epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);
- }
- }
- }
- return 0;
- }
下面給出測試所用的Perl寫的client端,在client中傳送10位元組的資料,同時讓client在傳送完資料之後進入死迴圈, 也就是在傳送完之後連線的狀態不發生改變--既不再發送資料, 也不關閉連線,這樣才能觀察出server的狀態:
- #!/usr/bin/perl
- use IO::Socket;
- my $host = "127.0.0.1";
- my $port = 5000;
- my $socket = IO::Socket::INET->new("$host:$port") or die "create socket error [email protected]";
- my $msg_out = "1234567890";
- print $socket $msg_out;
- print "now send over, go to sleep \n";
- while (1)
- {
- sleep(1);
- }
執行server和client發現,server僅僅讀取了5位元組的資料,而client其實發送了10位元組的資料,也就是說,server僅當第一次監聽到了EPOLLIN事件,由於沒有讀取完資料,而且採用的是ET模式,狀態在此之後不發生變化,因此server再也接收不到EPOLLIN事件了.
(友情提示:上面的這個測試客戶端,當你關閉它的時候會再次出發IO可讀事件給server,此時server就會去讀取剩下的5位元組資料了,但是這一事件與前面描述的ET性質並不矛盾.)
如果我們把client改為這樣:
- #!/usr/bin/perl
- use IO::Socket;
- my $host = "127.0.0.1";
- my $port = 5000;
- my $socket = IO::Socket::INET->new("$host:$port") or die "create socket error [email protected]";
- my $msg_out = "1234567890";
- print $socket $msg_out;
- print "now send over, go to sleep \n";
- sleep(5);
- print "5 second gone send another line\n";
- print $socket $msg_out;
- while (1)
- {
- sleep(1);
- }
可以發現,在server接收完5位元組的資料之後一直監聽不到client的事件,而當client休眠5秒之後重新發送資料,server再次監聽到了變化,只不過因為只是讀取了5個位元組,仍然有10個位元組的資料(client第二次傳送的資料)沒有接收完.
如果上面的實驗中,對accept的socket都採用的是LT模式,那麼只要還有資料留在buffer中,server就會繼續得到通知,讀者可以自行改動程式碼進行實驗.
基於這兩個實驗,可以得出這樣的結論:ET模式僅當狀態發生變化的時候才獲得通知,這裡所謂的狀態的變化並不包括緩衝區中還有未處理的資料,也就是說,如果要採用ET模式,需要一直read/write直到出錯為止,很多人反映為什麼採用ET模式只接收了一部分資料就再也得不到通知了,大多因為這樣;而LT模式是隻要有資料沒有處理就會一直通知下去的.
補充說明一下這裡一直強調的"狀態變化"是什麼:
1)對於監聽可讀事件時,如果是socket是監聽socket,那麼當有新的主動連線到來為狀態發生變化;對一般的socket而言,協議棧中相應的緩衝區有新的資料為狀態發生變化.但是,如果在一個時間同時接收了N個連線(N>1),但是監聽socket只accept了一個連線,那麼其它未 accept的連線將不會在ET模式下給監聽socket發出通知,此時狀態不發生變化;對於一般的socket,就如例子中而言,如果對應的緩衝區本身已經有了N位元組的資料,而只取出了小於N位元組的資料,那麼殘存的資料不會造成狀態發生變化.
2)對於監聽可寫事件時,同理可推,不再詳述.
而不論是監聽可讀還是可寫,對方關閉socket連線都將造成狀態發生變化,比如在例子中,如果強行中斷client指令碼,也就是主動中斷了socket連線,那麼都將造成server端發生狀態的變化,從而server得到通知,將已經在本方緩衝區中的資料讀出.
把前面的描述可以總結如下:僅當對方的動作(發出資料,關閉連線等)造成的事件才能導致狀態發生變化,而本方協議棧中已經處理的事件(包括接收了對方的資料,接收了對方的主動連線請求)並不是造成狀態發生變化的必要條件,狀態變化一定是對方造成的.所以在ET模式下的,必須一直處理到出錯或者完全處理完畢,才能進行下一個動作,否則可能會發生錯誤.
另外,從這個例子中,也可以闡述一些基本的網路程式設計概念.首先,連線的兩端中,一端傳送成功並不代表著對方上層應用程式接收成功, 就拿上面的client測試程式來說,10位元組的資料已經發送成功,但是上層的server並沒有呼叫read讀取資料,因此傳送成功僅僅說明了資料被對方的協議棧接收存放在了相應的buffer中,而上層的應用程式是否接收了這部分資料不得而知;同樣的,讀取資料時也只代表著本方協議棧的對應buffer中有資料可讀,而此時時候在對端是否在傳送資料也不得而知.
epoll精髓
在linux的網路程式設計中,很長的時間都在使用select來做事件觸發。在linux新的核心中,有了一種替換它的機制,就是epoll。
相比於select,epoll最大的好處在於它不會隨著監聽fd數目的增長而降低效率。因為在核心中的select實現中,它是採用輪詢來處理的,輪詢的fd數目越多,自然耗時越多。並且,在linux/posix_types.h標頭檔案有這樣的宣告:
#define __FD_SETSIZE 1024
表示select最多同時監聽1024個fd,當然,可以通過修改標頭檔案再重編譯核心來擴大這個數目,但這似乎並不治本。
epoll的介面非常簡單,一共就三個函式:
1. int epoll_create(int size);
建立一個epoll的控制代碼,size用來告訴核心這個監聽的數目一共有多大。這個引數不同於select()中的第一個引數,給出最大監聽的fd+1的值。需要注意的是,當建立好epoll控制代碼後,它就是會佔用一個fd值,在linux下如果檢視/proc/程序id/fd/,是能夠看到這個fd的,所以在使用完epoll後,必須呼叫close()關閉,否則可能導致fd被耗盡。
2. int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
epoll的事件註冊函式,它不同與select()是在監聽事件時告訴核心要監聽什麼型別的事件,而是在這裡先註冊要監聽的事件型別。第一個引數是epoll_create()的返回值,第二個引數表示動作,用三個巨集來表示:
EPOLL_CTL_ADD:註冊新的fd到epfd中;
EPOLL_CTL_MOD:修改已經註冊的fd的監聽事件;
EPOLL_CTL_DEL:從epfd中刪除一個fd;
第三個引數是需要監聽的fd,第四個引數是告訴核心需要監聽什麼事,struct epoll_event結構如下:
- struct epoll_event {
- __uint32_t events; /* Epoll events */
- epoll_data_t data; /* User data variable */
- };
events可以是以下幾個巨集的集合:
EPOLLIN :表示對應的檔案描述符可以讀(包括對端SOCKET正常關閉);
EPOLLOUT:表示對應的檔案描述符可以寫;
EPOLLPRI:表示對應的檔案描述符有緊急的資料可讀(這裡應該表示有帶外資料到來);
EPOLLERR:表示對應的檔案描述符發生錯誤;
EPOLLHUP:表示對應的檔案描述符被結束通話;
EPOLLET: 將EPOLL設為邊緣觸發(Edge Triggered)模式,這是相對於水平觸發(Level Triggered)來說的。
EPOLLONESHOT:只監聽一次事件,當監聽完這次事件之後,如果還需要繼續監聽這個socket的話,需要再次把這個socket加入到EPOLL佇列裡
3. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
等待事件的產生,類似於select()呼叫。引數events用來從核心得到事件的集合,maxevents告之核心這個events有多大,這個maxevents的值不能大於建立epoll_create()時的size,引數timeout是超時時間(毫秒,0會立即返回,-1將不確定,也有說法說是永久阻塞)。該函式返回需要處理的事件數目,如返回0表示已超時。
--------------------------------------------------------------------------------------------
從man手冊中,得到ET和LT的具體描述如下
EPOLL事件有兩種模型:
Edge Triggered (ET)
Level Triggered (LT)
假如有這樣一個例子:
1. 我們已經把一個用來從管道中讀取資料的檔案控制代碼(RFD)新增到epoll描述符
2. 這個時候從管道的另一端被寫入了2KB的資料
3. 呼叫epoll_wait(2),並且它會返回RFD,說明它已經準備好讀取操作
4. 然後我們讀取了1KB的資料
5. 呼叫epoll_wait(2)......
Edge Triggered 工作模式:
如果我們在第1步將RFD新增到epoll描述符的時候使用了EPOLLET標誌,那麼在第5步呼叫epoll_wait(2)之後將有可能會掛起,因為剩餘的資料還存在於檔案的輸入緩衝區內,而且資料發出端還在等待一個針對已經發出資料的反饋資訊。只有在監視的檔案控制代碼上發生了某個事件的時候 ET 工作模式才會彙報事件。因此在第5步的時候,呼叫者可能會放棄等待仍在存在於檔案輸入緩衝區內的剩餘資料。在上面的例子中,會有一個事件產生在RFD控制代碼上,因為在第2步執行了一個寫操作,然後,事件將會在第3步被銷燬。因為第4步的讀取操作沒有讀空檔案輸入緩衝區內的資料,因此我們在第5步呼叫 epoll_wait(2)完成後,是否掛起是不確定的。epoll工作在ET模式的時候,必須使用非阻塞套介面,以避免由於一個檔案控制代碼的阻塞讀/阻塞寫操作把處理多個檔案描述符的任務餓死。最好以下面的方式呼叫ET模式的epoll介面,在後面會介紹避免可能的缺陷。
i 基於非阻塞檔案控制代碼
ii 只有當read(2)或者write(2)返回EAGAIN時才需要掛起,等待。但這並不是說每次read()時都需要迴圈讀,直到讀到產生一個EAGAIN才認為此次事件處理完成,當read()返回的讀到的資料長度小於請求的資料長度時,就可以確定此時緩衝中已沒有資料了,也就可以認為此事讀事件已處理完成。
Level Triggered 工作模式
相反的,以LT方式呼叫epoll介面的時候,它就相當於一個速度比較快的poll(2),並且無論後面的資料是否被使用,因此他們具有同樣的職能。因為即使使用ET模式的epoll,在收到多個chunk的資料的時候仍然會產生多個事件。呼叫者可以設定EPOLLONESHOT標誌,在 epoll_wait(2)收到事件後epoll會與事件關聯的檔案控制代碼從epoll描述符中禁止掉。因此當EPOLLONESHOT設定後,使用帶有 EPOLL_CTL_MOD標誌的epoll_ctl(2)處理檔案控制代碼就成為呼叫者必須作的事情。
然後詳細解釋ET, LT:
LT(level triggered)是預設的工作方式,並且同時支援block和no-block socket.在這種做法中,核心告訴你一個檔案描述符是否就緒了,然後你可以對這個就緒的fd進行IO操作。如果你不作任何操作,核心還是會繼續通知你的,所以,這種模式程式設計出錯誤可能性要小一點。傳統的select/poll都是這種模型的代表.
ET(edge-triggered)是高速工作方式,只支援no-block socket。在這種模式下,當描述符從未就緒變為就緒時,核心通過epoll告訴你。然後它會假設你知道檔案描述符已經就緒,並且不會再為那個檔案描述符傳送更多的就緒通知,直到你做了某些操作導致那個檔案描述符不再為就緒狀態了(比如,你在傳送,接收或者接收請求,或者傳送接收的資料少於一定量時導致了一個EWOULDBLOCK 錯誤)。但是請注意,如果一直不對這個fd作IO操作(從而導致它再次變成未就緒),核心不會發送更多的通知(only once),不過在TCP協議中,ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark確認(這句話不理解)。
在許多測試中我們會看到如果沒有大量的idle -connection或者dead-connection,epoll的效率並不會比select/poll高很多,但是當我們遇到大量的idle- connection(例如WAN環境中存在大量的慢速連線),就會發現epoll的效率大大高於select/poll。(未測試)
另外,當使用epoll的ET模型來工作時,當產生了一個EPOLLIN事件後,
讀資料的時候需要考慮的是當recv()返回的大小如果等於請求的大小,那麼很有可能是緩衝區還有資料未讀完,也意味著該次事件還沒有處理完,所以還需要再次讀取:
- while(rs)
- {
- buflen = recv(activeevents[i].data.fd, buf, sizeof(buf), 0);
- if(buflen < 0)
- {
- // 由於是非阻塞的模式,所以當errno為EAGAIN時,表示當前緩衝區已無資料可讀
- // 在這裡就當作是該次事件已處理處.
- if(errno == EAGAIN)
- break;
- else
- return;
- }
- else if(buflen == 0)
- {
- // 這裡表示對端的socket已正常關閉.
- }
- if(buflen == sizeof(buf)
- rs = 1; // 需要再次讀取
- else
- rs = 0;
- }
還有,假如傳送端流量大於接收端的流量(意思是epoll所在的程式讀比轉發的socket要快),由於是非阻塞的socket,那麼send()函式雖然返回,但實際緩衝區的資料並未真正發給接收端,這樣不斷的讀和發,當緩衝區滿後會產生EAGAIN錯誤(參考man send),同時,不理會這次請求傳送的資料.所以,需要封裝socket_send()的函式用來處理這種情況,該函式會盡量將資料寫完再返回,返回-1表示出錯。在socket_send()內部,當寫緩衝已滿(send()返回-1,且errno為EAGAIN),那麼會等待後再重試.這種方式並不很完美,在理論上可能會長時間的阻塞在socket_send()內部,但暫沒有更好的辦法.
- ssize_t socket_send(int sockfd, const char* buffer, size_t buflen)
- {
- ssize_t tmp;
- size_t total = buflen;
- const char *p = buffer;
- while(1)
- {
- tmp = send(sockfd, p, total, 0);
- if(tmp < 0)
- {
- // 當send收到訊號時,可以繼續寫,但這裡返回-1.
- if(errno == EINTR)
- return -1;
- // 當socket是非阻塞時,如返回此錯誤,表示寫緩衝佇列已滿,
- // 在這裡做延時後再重試.
- if(errno == EAGAIN)
- {
- usleep(1000);
- continue;
- }
- return -1;
- }
- if((size_t)tmp == total)
- return buflen;
- total -= tmp;
- p += tmp;
- }
- return tmp;
- }
在linux的網路程式設計中,很長的時間都在使用select來做事件觸發。在linux新的核心中,有了一種替換它的機制,就是epoll。
相比於select,epoll最大的好處在於它不會隨著監聽fd數目的增長而降低效率。因為在核心中的select實現中,它是採用輪詢來處理的,輪詢的fd數目越多,自然耗時越多。並且,在linux/posix_types.h標頭檔案有這樣的宣告:
#define __FD_SETSIZE 1024
表示select最多同時監聽1024個fd,當然,可以通過修改標頭檔案再重編譯核心來擴大這個數目,但這似乎並不治本。
epoll的介面非常簡單,一共就三個函式:
1. int epoll_create(int size);
建立一個epoll的控制代碼,size用來告訴核心這個監聽的數目一共有多大。這個引數不同於select()中的第一個引數,給出最大監聽的fd+1的值。需要注意的是,當建立好epoll控制代碼後,它就是會佔用一個fd值,在linux下如果檢視/proc/程序id/fd/,是能夠看到這個fd的,所以在使用完epoll後,必須呼叫close()關閉,否則可能導致fd被耗盡。
2. int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
epoll的事件註冊函式,它不同與select()是在監聽事件時告訴核心要監聽什麼型別的事件,而是在這裡先註冊要監聽的事件型別。第一個引數是epoll_create()的返回值,第二個引數表示動作,用三個巨集來表示:
EPOLL_CTL_ADD:註冊新的fd到epfd中;
EPOLL_CTL_MOD:修改已經註冊的fd的監聽事件;
EPOLL_CTL_DEL:從epfd中刪除一個fd;
第三個引數是需要監聽的fd,第四個引數是告訴核心需要監聽什麼事,struct epoll_event結構如下:
- struct epoll_event {
- __uint32_t events; /* Epoll events */
- epoll_data_t data; /* User data variable */
- };
events可以是以下幾個巨集的集合:
EPOLLIN :表示對應的檔案描述符可以讀(包括對端SOCKET正常關閉);
EPOLLOUT:表示對應的檔案描述符可以寫;
EPOLLPRI:表示對應的檔案描述符有緊急的資料可讀(這裡應該表示有帶外資料到來);
EPOLLERR:表示對應的檔案描述符發生錯誤;
EPOLLHUP:表示對應的檔案描述符被結束通話;
EPOLLET: 將EPOLL設為邊緣觸發(Edge Triggered)模式,這是相對於水平觸發(Level Triggered)來說的。
EPOLLONESHOT:只監聽一次事件,當監聽完這次事件之後,如果還需要繼續監聽這個socket的話,需要再次把這個socket加入到EPOLL佇列裡
3. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
等待事件的產生,類似於select()呼叫。引數events用來從核心得到事件的集合,maxevents告之核心這個events有多大,這個maxevents的值不能大於建立epoll_create()時的size,引數timeout是超時時間(毫秒,0會立即返回,-1將不確定,也有說法說是永久阻塞)。該函式返回需要處理的事件數目,如返回0表示已超時。
--------------------------------------------------------------------------------------------
從man手冊中,得到ET和LT的具體描述如下
EPOLL事件有兩種模型:
Edge Triggered (ET)
Level Triggered (LT)
假如有這樣一個例子:
1. 我們已經把一個用來從管道中讀取資料的檔案控制代碼(RFD)新增到epoll描述符
2. 這個時候從管道的另一端被寫入了2KB的資料
3. 呼叫epoll_wait(2),並且它會返回RFD,說明它已經準備好讀取操作
4. 然後我們讀取了1KB的資料
5. 呼叫epoll_wait(2)......
Edge Triggered 工作模式:
如果我們在第1步將RFD新增到epoll描述符的時候使用了EPOLLET標誌,那麼在第5步呼叫epoll_wait(2)之後將有可能會掛起,因為剩餘的資料還存在於檔案的輸入緩衝區內,而且資料發出端還在等待一個針對已經發出資料的反饋資訊。只有在監視的檔案控制代碼上發生了某個事件的時候 ET 工作模式才會彙報事件。因此在第5步的時候,呼叫者可能會放棄等待仍在存在於檔案輸入緩衝區內的剩餘資料。在上面的例子中,會有一個事件產生在RFD控制代碼上,因為在第2步執行了一個寫操作,然後,事件將會在第3步被銷燬。因為第4步的讀取操作沒有讀空檔案輸入緩衝區內的資料,因此我們在第5步呼叫 epoll_wait(2)完成後,是否掛起是不確定的。epoll工作在ET模式的時候,必須使用非阻塞套介面,以避免由於一個檔案控制代碼的阻塞讀/阻塞寫操作把處理多個檔案描述符的任務餓死。最好以下面的方式呼叫ET模式的epoll介面,在後面會介紹避免可能的缺陷。
i 基於非阻塞檔案控制代碼
ii 只有當read(2)或者write(2)返回EAGAIN時才需要掛起,等待。但這並不是說每次read()時都需要迴圈讀,直到讀到產生一個EAGAIN才認為此次事件處理完成,當read()返回的讀到的資料長度小於請求的資料長度時,就可以確定此時緩衝中已沒有資料了,也就可以認為此事讀事件已處理完成。
Level Triggered 工作模式
相反的,以LT方式呼叫epoll介面的時候,它就相當於一個速度比較快的poll(2),並且無論後面的資料是否被使用,因此他們具有同樣的職能。因為即使使用ET模式的epoll,在收到多個chunk的資料的時候仍然會產生多個事件。呼叫者可以設定EPOLLONESHOT標誌,在 epoll_wait(2)收到事件後epoll會與事件關聯的檔案控制代碼從epoll描述符中禁止掉。因此當EPOLLONESHOT設定後,使用帶有 EPOLL_CTL_MOD標誌的epoll_ctl(2)處理檔案控制代碼就成為呼叫者必須作的事情。
然後詳細解釋ET, LT:
LT(level triggered)是預設的工作方式,並且同時支援block和no-block socket.在這種做法中,核心告訴你一個檔案描述符是否就緒了,然後你可以對這個就緒的fd進行IO操作。如果你不作任何操作,核心還是會繼續通知你的,所以,這種模式程式設計出錯誤可能性要小一點。傳統的select/poll都是這種模型的代表.
ET(edge-triggered)是高速工作方式,只支援no-block socket。在這種模式下,當描述符從未就緒變為就緒時,核心通過epoll告訴你。然後它會假設你知道檔案描述符已經就緒,並且不會再為那個檔案描述符傳送更多的就緒通知,直到你做了某些操作導致那個檔案描述符不再為就緒狀態了(比如,你在傳送,接收或者接收請求,或者傳送接收的資料少於一定量時導致了一個EWOULDBLOCK 錯誤)。但是請注意,如果一直不對這個fd作IO操作(從而導致它再次變成未就緒),核心不會發送更多的通知(only once),不過在TCP協議中,ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark確認(這句話不理解)。
在許多測試中我們會看到如果沒有大量的idle -connection或者dead-connection,epoll的效率並不會比select/poll高很多,但是當我們遇到大量的idle- connection(例如WAN環境中存在大量的慢速連線),就會發現epoll的效率大大高於select/poll。(未測試)
另外,當使用epoll的ET模型來工作時,當產生了一個EPOLLIN事件後,
讀資料的時候需要考慮的是當recv()返回的大小如果等於請求的大小,那麼很有可能是緩衝區還有資料未讀完,也意味著該次事件還沒有處理完,所以還需要再次讀取:
- while(rs)
- {
- buflen = recv(activeevents[i].data.fd, buf, sizeof(buf), 0);
- if(buflen < 0)
- {
- // 由於是非阻塞的模式,所以當errno為EAGAIN時,表示當前緩衝區已無資料可讀
- // 在這裡就當作是該次事件已處理處.
- if(errno == EAGAIN)
- break;
- else
- return;
- }
- else if(buflen == 0)
- {
- // 這裡表示對端的socket已正常關閉.
- }
- if(buflen == sizeof(buf)
- rs = 1; // 需要再次讀取
- else
- rs = 0;
- }
還有,假如傳送端流量大於接收端的流量(意思是epoll所在的程式讀比轉發的socket要快),由於是非阻塞的socket,那麼send()函式雖然返回,但實際緩衝區的資料並未真正發給接收端,這樣不斷的讀和發,當緩衝區滿後會產生EAGAIN錯誤(參考man send),同時,不理會這次請求傳送的資料.所以,需要封裝socket_send()的函式用來處理這種情況,該函式會盡量將資料寫完再返回,返回-1表示出錯。在socket_send()內部,當寫緩衝已滿(send()返回-1,且errno為EAGAIN),那麼會等待後再重試.這種方式並不很完美,在理論上可能會長時間的阻塞在socket_send()內部,但暫沒有更好的辦法.
- ssize_t socket_send(int sockfd, const char* buffer, size_t buflen)
- {
- ssize_t tmp;
- size_t total = buflen;
- const char *p = buffer;
- while(1)
- {
- tmp = send(sockfd, p, total, 0);
- if(tmp < 0)
- {
- // 當send收到訊號時,可以繼續寫,但這裡返回-1.
- if(errno == EINTR)
- return -1;
- // 當socket是非阻塞時,如返回此錯誤,表示寫緩衝佇列已滿,
- // 在這裡做延時後再重試.
- if(errno == EAGAIN)
- {
- usleep(1000);
- continue;
- }
- return -1;
- }
- if((size_t)tmp == total)
- return buflen;
- total -= tmp;
- p += tmp;
- }
- return tmp;
- }
epoll有兩種模式,Edge Triggered(簡稱ET) 和 Level Triggered(簡稱LT).在採用這兩種模式時要注意的是,如果採用ET模式,那麼僅當狀態發生變化時才會通知,而採用LT模式類似於原來的select/poll操作,只要還有沒有處理的事件就會一直通知.
以程式碼來說明問題:
首先給出server的程式碼,需要說明的是每次accept的連線,加入可讀集的時候採用的都是ET模式,而且接收緩衝區是5位元組的,也就是每次只接收5位元組的資料:
- #include <iostream>
- #include <sys/socket.h>
- #include <sys/epoll.h>
- #include <netinet/in.h>
- #include <arpa/inet.h>
- #include <fcntl.h>
- #include <unistd.h>
- #include <stdio.h>
- #include <errno.h>
- using namespace std;
- #define MAXLINE 5
- #define OPEN_MAX 100
- #define LISTENQ 20
- #define SERV_PORT 5000
- #define INFTIM 1000
- void setnonblocking(int sock)
- {
- int opts;
- opts=fcntl(sock,F_GETFL);
- if(opts<0)
- {
- perror("fcntl(sock,GETFL)");
- exit(1);
- }
- opts = opts|O_NONBLOCK;
- if(fcntl(sock,F_SETFL,opts)<0)
- {
- perror("fcntl(sock,SETFL,opts)");
- exit(1);
- }
- }
- int main()
- {
- int i, maxi, listenfd, connfd, sockfd,epfd,nfds;
- ssize_t n;
- char line[MAXLINE];
- socklen_t clilen;
- //宣告epoll_event結構體的變數,ev用於註冊事件,陣列用於回傳要處理的事件
- struct epoll_event ev,events[20];
- //生成用於處理accept的epoll專用的檔案描述符
- epfd=epoll_create(256);
- struct sockaddr_in clientaddr;
- struct sockaddr_in serveraddr;
- listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
- //把socket設定為非阻塞方式
- //setnonblocking(listenfd);
- //設定與要處理的事件相關的檔案描述符
- ev.data.fd=listenfd;
- //設定要處理的事件型別
- ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
- //ev.events=EPOLLIN;
- //註冊epoll事件
- epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);
- bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr));
- serveraddr.sin_family = AF_INET;
- char *local_addr="127.0.0.1";
- inet_aton(local_addr,&(serveraddr.sin_addr));//htons(SERV_PORT);
- serveraddr.sin_port=htons(SERV_PORT);
- bind(listenfd,(sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr));
- listen(listenfd, LISTENQ);
- maxi = 0;
- for ( ; ; ) {
- //等待epoll事件的發生
- nfds=epoll_wait(epfd,events,20,500);
- //處理所發生的所有事件
- for(i=0;i<nfds;++i)
- {
- if(events[i].data.fd==listenfd)
- {
- connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen);
- if(connfd<0){
- perror("connfd<0");
- exit(1);
- }
- //setnonblocking(connfd);
- char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr);
- cout << "accapt a connection from " << str << endl;
- //設定用於讀操作的檔案描述符
- ev.data.fd=connfd;
- //設定用於注測的讀操作事件
- ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
- //ev.events=EPOLLIN;
- //註冊ev
- epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev);
- }
- else if(events[i].events&EPOLLIN)
- {
- cout << "EPOLLIN" << endl;
- if ( (sockfd = events[i].data.fd) < 0)
- continue;
- if ( (n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0) {
- if (errno == ECONNRESET) {
- close(sockfd);
- events[i].data.fd = -1;
- } else
- std::cout<<"readline error"<<std::endl;
- } else if (n == 0) {
- close(sockfd);
- events[i].data.fd = -1;
- }
- line[n] = '\0';
- cout << "read " << line << endl;
- //設定用於寫操作的檔案描述符
- ev.data.fd=sockfd;
- //設定用於注測的寫操作事件
- ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET;
- //修改sockfd上要處理的事件為EPOLLOUT
- //epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);
- }
- else if(events[i].events&EPOLLOUT)
- {
- sockfd = events[i].data.fd;
- write(sockfd, line, n);
- //設定用於讀操作的檔案描述符
- ev.data.fd=sockfd;
- //設定用於注測的讀操作事件
- ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
- //修改sockfd上要處理的事件為EPOLIN
- epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);
- }
- }
- }
- return 0;
- }
下面給出測試所用的Perl寫的client端,在client中傳送10位元組的資料,同時讓client在傳送完資料之後進入死迴圈, 也就是在傳送完之後連線的狀態不發生改變--既不再發送資料, 也不關閉連線,這樣才能觀察出server的狀態:
- #!/usr/bin/perl
- use IO::Socket;
- my $host = "127.0.0.1";
- my $port = 5000;
- my $socket = IO::Socket::INET->new("$host:$port") or die "create socket error [email protected]";
- my $msg_out = "1234567890";
- print $socket $msg_out;
- print "now send over, go to sleep\n";
- while (1)
- {
- sleep(1);
- }
執行server和client發現,server僅僅讀取了5位元組的資料,而client其實發送了10位元組的資料,也就是說,server僅當第一次監聽到了EPOLLIN事件,由於沒有讀取完資料,而且採用的是ET模式,狀態在此之後不發生變化,因此server再也接收不到EPOLLIN事件了.
如果我們把client改為這樣:
- #!/usr/bin/perl
- use IO::Socket;
- my $host = "127.0.0.1";
- my $port = 5000;
- my $socket = IO::Socket::INET->new("$host:$port") or die "create socket error [email protected]";
- my $msg_out = "1234567890";
- print $socket $msg_out;
- print "now send over, go to sleep\n";
- sleep(5);
- print "5 second gonesend another line\n";
- print $socket $msg_out;
- while (1)
- {
- sleep(1);
- }
可以發現,在server接收完5位元組的資料之後一直監聽不到client的事件,而當client休眠5秒之後重新發送資料,server再次監聽到了變化,只不過因為只是讀取了5個位元組,仍然有10個位元組的資料(client第二次傳送的資料)沒有接收完.
如果上面的實驗中,對accept的socket都採用的是LT模式,那麼只要還有資料留在buffer中,server就會繼續得到通知,讀者可以自行改動程式碼進行實驗.
基於這兩個實驗,可以得出這樣的結論:ET模式僅當狀態發生變化的時候才獲得通知,這裡所謂的狀態的變化並不包括緩衝區中還有未處理的資料,也就是說,如果要採用ET模式,需要一直read/write直到出錯為止,很多人反映為什麼採用ET模式只接收了一部分資料就再也得不到通知了,大多因為這樣;而LT模式是隻要有資料沒有處理就會一直通知下去的.
補充說明一下這裡一直強調的"狀態變化"是什麼:
1)對於監聽可讀事件時,如果是socket是監聽socket,那麼當有新的主動連線到來為狀態發生變化;對一般的socket而言,協議棧中相應的緩 衝區有新的資料為狀態發生變化.但是,如果在一個時間同時接收了N個連線(N>1),但是監聽socket只accept了一個連線,那麼其它未 accept的連線將不會在ET模式下給監聽socket發出通知,此時狀態不發生變化;對於一般的socket,就如例子中而言,如果對應的緩衝區本身 已經有了N位元組的資料,而只取出了小於N位元組的資料,那麼殘存的資料不會造成狀態發生變化.
2)對於監聽可寫事件時,同理可推,不再詳述.
而不論是監聽可讀還是可寫,對方關閉socket連線都將造成狀態發生變化,比如在例子中,如果強行中斷client指令碼,也就是主動中斷了socket連線,那麼都將造成server端發生狀態的變化,從而server得到通知,將已經在本方緩衝區中的資料讀出.
把前面的描述可以總結如下:僅當對方的動作(發出資料,關閉連線等)造成的事件才能導致狀態發生變化,而本方協議棧中已經處理的事件(包括接收了對方的數 據,接收了對方的主動連線請求)並不是造成狀態發生變化的必要條件,狀態變化一定是對方造成的.所以在ET模式下的,必須一直處理到出錯或者完全處理完 畢,才能進行下一個動作,否則可能會發生錯誤.
另外,從這個例子中,也可以闡述一些基本的網路程式設計概念.首先,連線的兩端中,一端傳送成功並不代表著對方上層應用程式接收成功, 就拿上面的client測試程式來說,10位元組的資料已經發送成功,但是上層的server並沒有呼叫read讀取資料,因此傳送成功僅僅說明了資料被對方的協議棧接收存放在了相應的buffer中,而上層的應用程式是否接收了這部分資料不得而知;同樣的,讀取資料時也只代表著本方協議棧的對應buffer中有資料可讀,而此時時候在對端是否在傳送資料也不得而知.
epoll為什麼這麼快
epoll是多路複用IO(I/O Multiplexing)中的一種方式,但是僅用於linux2.6以上核心,在開始討論這個問題之前,先來解釋一下為什麼需要多路複用IO.
以一個生活中的例子來解釋.
假設你在大學中讀書,要等待一個朋友來訪,而這個朋友只知道你在A號樓,但是不知道你具體住在哪裡,於是你們約好了在A號樓門口見面.
如果你使用的阻塞IO模型來處理這個問題,那麼你就只能一直守候在A號樓門口等待朋友的到來,在這段時間裡你不能做別的事情,不難知道,這種方式的效率是低下的.
現在時代變化了,開始使用多路複用IO模型來處理這個問題.你告訴你的朋友來了A號樓找樓管大媽,讓她告訴你該怎麼走.這裡的樓管大媽扮演的就是多路複用IO的角色.
進一步解釋select和epoll模型的差異.
select版大媽做的是如下的事情:比如同學甲的朋友來了,select版大媽比較笨,她帶著朋友挨個房間進行查詢誰是同學甲,你等的朋友來了,於是在實際的程式碼中,select版大媽做的是以下的事情:
- int n = select(&readset,NULL,NULL,100);
- for (int i = 0; n > 0; ++i)
- {
- if (FD_ISSET(fdarray[i], &readset))
- {
- do_something(fdarray[i]);
- --n;
- }
- }
epoll版大媽就比較先進了,她記下了同學甲的資訊,比如說他的房間號,那麼等同學甲的朋友到來時,只需要告訴該朋友同學甲在哪個房間即可,不用自己親自帶著人滿大樓的找人了.於是epoll版大媽做的事情可以用如下的程式碼表示:
- n=epoll_wait(epfd,events,20,500);
- for(i=0;i<n;++i)
- {
- do_something(events[n]);
- }
- 在epoll中,關鍵的資料結構epoll_event定義如下:
- typedef union epoll_data {
- void *ptr;
- int fd;
- __uint32_t u32;
- __uint64_t u64;
- } epoll_data_t;
- struct epoll_event {
- __uint32_t events; /* Epoll events */
- epoll_data_t data; /* User data variable */
- };
可以看到,epoll_data是一個union結構體,它就是epoll版大媽用於儲存同學資訊的結構體,它可以儲存很多型別的資訊:fd,指標,等等.有了這個結構體,epoll大媽可以不用吹灰之力就可以定位到同學甲.
別小看了這些效率的提高,在一個大規模併發的伺服器中,輪詢IO是最耗時間的操作之一.再回到那個例子中,如果每到來一個朋友樓管大媽都要全樓的查詢同學,那麼處理的效率必然就低下了,過不久樓底就有不少的人了.
對比最早給出的阻塞IO的處理模型, 可以看到採用了多路複用IO之後, 程式可以自由的進行自己除了IO操作之外的工作, 只有到IO狀態發生變化的時候由多路複用IO進行通知, 然後再採取相應的操作, 而不用一直阻塞等待IO狀態發生變化了.
從上面的分析也可以看出,epoll比select的提高實際上是一個用空間換時間思想的具體應用.
多程序伺服器中,epoll的建立應該在建立子程序之後
看我的測試程式碼,似乎應該是在建立子程序之後建立epoll的fd,否則程式將會有問題,試將程式碼中兩個CreateWorker函式的呼叫位置分別呼叫,一個在建立epoll fd之前,一個在之後,在呼叫在建立之前的程式碼會出問題,在我的機器上(linux核心2.6.26)表現的症狀就是所有程序的epoll_wait函式返回0, 而客戶端似乎被阻塞了:
伺服器端:
- #include <iostream>
- #include <sys/socket.h>
- #include <sys/epoll.h>
- #include <netinet/in.h>
- #include <arpa/inet.h>
- #include <fcntl.h>
- #include <unistd.h>
- #include <stdio.h>
- #include <errno.h>
- #include <sys/types.h>
- #include <sys/wait.h>
- using namespace std;
- #define MAXLINE 5
- #define OPEN_MAX 100
- #define LISTENQ 20
- #define SERV_PORT 5000
- #define INFTIM 1000
- typedef struct task_t
- {
- int fd;
- char buffer[100];
- int n;
- }task_t;
- int CreateWorker(int nWorker)
- {
- if (0 < nWorker)
- {
- bool bIsChild;
- pid_t nPid;
- while (!bIsChild)
- {
- if (0 < nWorker)
- {
- nPid = ::fork();
- if (nPid > 0)
- {
- bIsChild = false;
- --nWorker;
- }
- else if (0 == nPid)
- {
- bIsChild = true;
- printf("create worker %d success!\n", ::getpid());
- }
- else
- {
- printf("fork error: %s\n", ::strerror(errno));
- return -1;
- }
- }
- else
- {
- int nStatus;
- if (-1 == ::wait(&nStatus))
- {
- ++nWorker;
- }
- }
- }
- }
- return 0;
- }
- void setnonblocking(int sock)
- {
- int opts;
- opts=fcntl(sock,F_GETFL);
- if(opts<0)
- {
- perror("fcntl(sock,GETFL)");
- exit(1);
- }
- opts = opts|O_NONBLOCK;
- if(fcntl(sock,F_SETFL,opts)<0)
- {
- perror("fcntl(sock,SETFL,opts)");
- exit(1);
- }
- }
- int main()
- {
- int i, maxi, listenfd, connfd, sockfd,epfd,nfds;
- ssize_t n;
- char line[MAXLINE];
- socklen_t clilen;
- struct epoll_event ev,events[20];
- struct sockaddr_in clientaddr;
- struct sockaddr_in serveraddr;
- listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
- bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr));
- serveraddr.sin_family = AF_INET;
- char *local_addr="127.0.0.1";
- inet_aton(local_addr,&(serveraddr.sin_addr));//htons(SERV_PORT);
- serveraddr.sin_port=htons(SERV_PORT);
- // 地址重用
- int nOptVal = 1;
- socklen_t nOptLen = sizeof(int);
- if (-1 == ::setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &nOptVal, nOptLen))
- {
- return -1;
- }
- setnonblocking(listenfd);
- bind(listenfd,(sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr));
- listen(listenfd, LISTENQ);
- CreateWorker(5);
- //把socket設定為非阻塞方式
- //生成用於處理accept的epoll專用的檔案描述符
- epfd=epoll_create(256);
- //設定與要處理的事件相關的檔案描述符
- ev.data.fd=listenfd;
- //設定要處理的事件型別
- ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
- //ev.events=EPOLLIN;
- //註冊epoll事件
- epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);
- //CreateWorker(5);
- maxi = 0;
- task_t task;
- task_t *ptask;
- while(true)
- {
- //等待epoll事件的發生
- nfds=epoll_wait(epfd,events,20,500);
- //處理所發生的所有事件
- for(i=0;i<nfds;++i)
- {
- if(events[i].data.fd==listenfd)
- {
- connfd = accept(listenfd,NULL, NULL);
- if(connfd<0){
- printf("connfd<0, listenfd = %d\n", listenfd);
- printf("error = %s\n", strerror(errno));
- exit(1);
- }
- setnonblocking(connfd);
- //設定用於讀操作的檔案描述符
- memset(&task, 0, sizeof(task));
- task.fd = connfd;
- ev.data.ptr = &task;
- //設定用於註冊的讀操作事件
- ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
- //ev.events=EPOLLIN;
- //註冊ev
- epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev);
- }
- else if(events[i].events&EPOLLIN)
- {
- cout << "EPOLLIN" << endl;
- ptask = (task_t*)events[i].data.ptr;
- sockfd = ptask->fd;
- if ( (ptask->n = read(sockfd, ptask->buffer, 100)) < 0) {
- if (errno == ECONNRESET) {
- close(sockfd);
- events[i].data.ptr = NULL;
- } else
- std::cout<<"readline error"<<std::endl;
- } else if (ptask->n == 0) {
- close(sockfd);
- events[i].data.ptr = NULL;
- }
- ptask->buffer[ptask->n] = '\0';
- cout << "read " << ptask->buffer << endl;
- //設定用於寫操作的檔案描述符
- ev.data.ptr = ptask;
- //設定用於注測的寫操作事件
- ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET;
- //修改sockfd上要處理的事件為EPOLLOUT
- epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);
- }
- else if(events[i].events&EPOLLOUT)
- {
- cout << "EPOLLOUT" << endl;
- ptask = (task_t*)events[i].data.ptr;
- sockfd = ptask->fd;
- write(sockfd, ptask->buffer, ptask->n);
- //設定用於讀操作的檔案描述符
- ev.data.ptr = ptask;
- //修改sockfd上要處理的事件為EPOLIN
- epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,sockfd,&ev);
- cout << "write " << ptask->buffer;
- memset(ptask, 0, sizeof(*ptask)); <