网络编程——C10K简述

C10K问题

 

网络服务在处理数以万计的客户端连接时，往往出现效率底下甚至完全瘫痪，这被成为C10K问题。

(C10K = connection 10 kilo 问题)。k 表示 kilo，即 1000 比如：kilometer(千米), kilogram(千克)。

 

非阻塞I/O，最关键的部分是readiness notification(when ready, then notify!)和找出哪一个socket上面发生了I/O事件。

一般我们首先会想到用select来实现。
int select(int n, fd_set *rd_fds; fd_set *wr_fds, fd_set *ex_fds, struct timeval * timeout);

 

其中用到了fd_set结构，而fd_set不能大于FD_SETSIZE,默认是1024，很容易导致数组越界。

针对fd_set的问题，*nix提供了poll函数作为select的一个替代品：

int poll(struct pollfd *ufds, unsigned int nfds, int timeout)

第一个参数ufds是用户提供的一个pollfd数组，大小由用户自行决定，因此避免了FD_SETSIZE带来的麻烦。

然而select和poll在连接数增加时，性能急剧下降。这有两方面的原因：

 

　　《1》首先操作系统面对每次的select/poll操作，都需要重新建立一个当前线程的关心事件链表，并把线程挂在这个复杂的等待队列上，这是相当耗时的。

　　《2》其次，应用软件在select/poll返回后也需要对传入的句柄链表做一次循环扫描来dispatch，这也是很耗时的。这两件事都是和并发数相关，而I/O事件的密度也和并发数相关，导致CPU占用率和并发数近似成O(n2)的关系。

 

基于以上原因，*nix的hacker们开发了epoll, kqueue, /dev/poll这3套利器。epoll是Linux的方案，kqueue是freebsd的方案，/dev/poll是solaris的方案。
简单的说，这些api做了两件事：

 

　　《1》避免了每次调用select/poll时kernel分析参素建立事件等结构的开销，kernel维护一个长期的时间关注列表，应用程序通过句柄修改这个链表和捕获I/P事件
　　《2》避免了select/poll返回后，应用程序扫描整个句柄表的开销，kernel直接返回具体的链表给应用程序。

 

在接触具体api之前，先了解一下边缘触发(edge trigger)和条件触发(level trigger)的概念。边缘触发是指每当状态变化时发生一个io事件，假定经过长时间的沉默后，现在来了100个字节，这是无论边缘触发和条件触发都会产生一个read ready notification通知应用程序可读。应用程序在读完来的50个字节，然后重新调用api等待io事件。这时条件触发的api会因为还有50个字节可读从而立即返回用户一个read ready notification。而边缘触发的api会因为可读这个状态没有发生变化而陷入长期等待。

因此在使用边缘触发的api时，要注意每次都要读到socket返回EWOULDBLOCK为止， 否则这个socket就算废了。而使用条件触发的api时，如果应用程序不需要写就不要关注socket可写的事件，否则会无限次的立即返回一个 write ready nitification. 大家常用的select就是属于条件触发这一类，以前本人翻过长期关注socket写事件从而CPU 100%的毛病。

 

epoll相关调用：

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);

 

epoll_create 创建kernel中的关注事件表，相当于创建fd_set.
epoll_ctl 修改这个表，相当与FD_SET等操作。
epoll_wait 完全是select/poll的升级版，支持的事件完全一致。并且epoll同时支持边缘触发和条件触发，一般来讲边缘触发的性能要好一些。

 

简单的例子：

[cpp] view plaincopy

        strut epoll_event ev, *events;  
        int kdpfd = epoll_create(100); //创建kernel中的关注事件表，返回一个kernel事件表的句柄  
          
        ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; //边缘触发  
        ev.data.fd = listener;   
        epoll_ctl(kdpfd, EPOLL_CTL_ADD, listener, &ev); //将事件ev加入到kernel关注的事件表中  
          
        for(;;){  
          
           nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1); //等待被通知   
           for(n = 0; n < nfds; n++){  
              if(events[n].data.fd == listener){  
                 client = accept(listener, (struct sockaddr*)&local, &addrlen);   
                 if(client < 0){  
                    peror("accept");  
                    continue;  
                 }  
          
                 setnonblocking(client);  
                 ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;  
                 ev.data.fd = client;  
                 if(epoll_ctl(kdpfd, EPOLL_CTL_ADD, client, &ev) < 0){  
                    fprintf(stderr, "epoll set insertion error: fd = %d, client);  
                    return -1;  
             }  
             }else  
                 do_use_fd(events[n].data.fd);  
           }  
        }