select poll epoll Linux高并发网络编程模型

0 发展历程

　　同步阻塞迭代模型-->多进程并发模型-->多线程并发模型-->select-->poll-->epoll-->...

1 同步阻塞迭代模型

bind(srvfd);
listen(srvfd);
for(;;)
{
    clifd = accept(srvfd,...); //开始接受客户端来的连接
    read(clifd,buf,...);       //从客户端读取数据
    dosomthingonbuf(buf);
    write(clifd,buf)；          //发送数据到客户端
}　　

缺点：

　　1.如果没有客户端的连接请求，进程会阻塞在accept系统调用处，程序不能执行其他任何操作。系统调用使得程序从用户态陷入内核态 -- 程序员的自我修养 

　　2.在与客户端建立好一条链路后，通过read系统调用从客户端接受数据，而客户端合适发送数据过来是不可控的。如果客户端迟迟不发生数据过来，则程序同样会阻塞在read调用，此时，如果另外的客户端来尝试连接时，都会失败。

　　3.同样，write系统调用也会使得程序出现阻塞(例如：客户端接受数据异常缓慢，导致写缓冲区满，数据迟迟发送不出)。

2 多进程并发模型

bind(srvfd);
listen(srvfd);
for(;;){
clifd = accept(srvfd,...);      //开始接受客户端来的连接
ret = fork();　　　　　　　　　　  //创建子进程
switch( ret )
{
    case -1 :
        do_err_handler();
        break;
    case 0: 　　　　　　　　　　　　// 子进程
        client_handler(clifd);
        break ;
    default : 　　　　　　　　　　　// 父进程
        close(clifd);
        continue ;
}
}
void client_handler(clifd)
{
    read(clifd,buf,...); 　　　　//从客户端读取数据
    dosomthingonbuf(buf);
    write(clifd,buf)；　　　　　　//发送数据到客户端
}

优点：通过多进程，解决了同步阻塞问题。

缺点：每一个客户端连接开启fork一个进程，即使linux中引入了写实拷贝机制，降低了fork一个子进程的消耗，但若客户端连接较大，则系统依然将不堪负重。　　

3 多线程并发模型

void *thread_callback( void *args )　　　　　　　　//线程回调函数
{
    int clifd = *(int *)args ;
    client_handler(clifd);
}

void client_handler(clifd)
{
    read(clifd,buf,...);　　　　　　　　　　　　　　//从客户端读取数据
    dosomthingonbuf(buf);
    write(clifd,buf);　　　　　　　　　　　　　　　　//发送数据到客户端
}

bind(srvfd);
listen(srvfd);
for(;;)
{
    clifd = accept();
    pthread_create(...,thread_callback,&clifd);//创建新线程并绑定回调函数、文件描述符
}

多线程的实现方式：

（1）按需生成(来一个连接生成一个线程) 
（2）线程池(预先生成很多线程) 
（3）Leader follower（LF）

服务端分为主线程和工作线程，主线程负责accept()连接，而工作线程负责处理业务逻辑和流的读取等。 
因此，即使在工作线程阻塞的情况下，也只是阻塞在线程范围内，对继续接受新的客户端连接不会有影响。 
通过线程池的引入可以避免频繁的创建、销毁线程，能在很大程序上提升性能。 
但不管如何实现，多线程模型先天具有缺点。

缺点： 
　　1.稳定性相对较差。一个线程的崩溃会导致整个程序崩溃。 
　　2.临界资源的访问控制，在加大程序复杂性的同时，锁机制的引入会是严重降低程序的性能、死锁等情况。　　

4 select

bind(listenfd);
listen(listenfd);
FD_ZERO(&allset);　　　　　　　　　 /*初始清空、并添加绑定文件描述符*/
FD_SET(listenfd, &allset);
for(;;)
{
    select(...);
    if (FD_ISSET(listenfd, &rset)) 
    {　　　　　　　　　　　　　　　　　/*有新的客户端连接到来*/
        clifd = accept();
        cliarray[] = clifd;　　　 /*保存新的连接套接字*/
        FD_SET(clifd, &allset);  /*将新的描述符加入监听数组中*/
    }

    for(;;)
    {　　　　　　　　　　　　　　　　 /*这个循环检查所有已经连接的客户端是否有数据可读写*/

        fd = cliarray[i];
        if (FD_ISSET(fd , &rset))
            dosomething();
    }
}

对于多进程模型和多线程模型，每个进程/线程只能处理一路IO，在服务器并发数较高的情况下，过多的进程/线程会使得服务器性能下降。

通过多路IO复用，能使得一个进程同时处理多路IO，提升服务器吞吐量。

在Linux支持epoll模型之前，都使用select/poll模型来实现IO多路复用。

select IO多路复用的缺点：

　　1.单进程能够监视的文件描述符数量存在最大限制( __FD_SETSIZE 1024)，可以更改数量，因select采用轮询的方式扫描文件描述符，文件描述符数量越多，性能越差；
　　2.内核态 / 用户态内存拷贝问题，select需要复制大量的句柄数据结构，产生巨大的开销； 
　　3.select返回整个句柄数组，应用程序需遍历才能发现哪些句柄发生了事件； 
　　4.select水平触发方式是，应用程序如果没有完成对一个已经就绪文件描述符进行IO操作，那么之后每次select调用还是会将这些文件描述符通知进程，即重复。

假设我们的服务器需要支持100万的并发连接，则在__FD_SETSIZE 为1024的情况下，则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。除了进程间上下文切换的时间消耗外，从内核/用户空间大量的无脑内存拷贝、数组轮询等，是系统难以承受的。因此，基于select模型的服务器程序，要达到10万级别的并发访问，是一个很难完成的任务。

5 poll

相比select模型，poll使用链表保存文件描述符，因此没有了监视文件数量的限制，但其它selec的t缺点依然存在。

6 epoll

epoll，select/poll调用分成3个部分去实现：

　　1.调用epoll_create()建立一个epoll对象(在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源)

　　2.调用epoll_ctl向epoll对象中添加连接的套接字

　　3.调用epoll_wait收集发生的所监听事件的连接

因此，在进程启动时建立一个epoll对象，然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同时，epoll_wait的效率也非常高，因为调用epoll_wait时，并没有一股脑的向操作系统复制全部连接的句柄数据，内核也不需要去遍历全部的连接。

Linux内核针对3部分具体的epoll机制实现思路：

　　首先，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。eventpoll结构体如下:

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，当相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，如下：

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。

　　通过红黑树和双链表数据结构，并结合回调机制，造就了epoll的高效。

　　总结来说：epoll三步曲。

　　　　第一步：epoll_create()系统调用。此调用返回一个句柄，之后所有的使用都依靠这个句柄来标识。

　　　　第二步：epoll_ctl()系统调用。通过此调用向epoll对象中添加、删除、修改感兴趣的事件，返回0标识成功，返回-1表示失败。

　　　　第三部：epoll_wait()系统调用。通过此调用收集收集在epoll监控中已经发生的事件。

epoll编程实例

//   
// a simple echo server using epoll in linux  
//   
// 2009-11-05  
// 2013-03-22:修改了几个问题，1是/n格式问题，2是去掉了原代码不小心加上的ET模式;
// 本来只是简单的示意程序，决定还是加上 recv/send时的buffer偏移
// by sparkling  
//   
#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 <iostream>  
using namespace std;  
#define MAX_EVENTS 500  
struct myevent_s  
{  
    int fd;  
    void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);  
    int events;  
    void *arg;  
    int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in  
    char buff[128]; // recv data buffer  
    int len, s_offset;  
    long last_active; // last active time  
};  
// set event  
void EventSet(myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void*), void *arg)  
{  
    ev->fd = fd;  
    ev->call_back = call_back;  
    ev->events = 0;  
    ev->arg = arg;  
    ev->status = 0;
    bzero(ev->buff, sizeof(ev->buff));
    ev->s_offset = 0;  
    ev->len = 0;
    ev->last_active = time(NULL);  
}  
// add/mod an event to epoll  
void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev)  
{  
    struct epoll_event epv = {0, {0}};  
    int op;  
    epv.data.ptr = ev;  
    epv.events = ev->events = events;  
    if(ev->status == 1){  
        op = EPOLL_CTL_MOD;  
    }  
    else{  
        op = EPOLL_CTL_ADD;  
        ev->status = 1;  
    }  
    if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0)  
        printf("Event Add failed[fd=%d], evnets[%d]
", ev->fd, events);  
    else  
        printf("Event Add OK[fd=%d], op=%d, evnets[%0X]
", ev->fd, op, events);  
}  
// delete an event from epoll  
void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev)  
{  
    struct epoll_event epv = {0, {0}};  
    if(ev->status != 1) return;  
    epv.data.ptr = ev;  
    ev->status = 0;
    epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);  
}  
int g_epollFd;  
myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd  
void RecvData(int fd, int events, void *arg);  
void SendData(int fd, int events, void *arg);  
// accept new connections from clients  
void AcceptConn(int fd, int events, void *arg)  
{  
    struct sockaddr_in sin;  
    socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);  
    int nfd, i;  
    // accept  
    if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1)  
    {  
        if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)  
        {  
        }
        printf("%s: accept, %d", __func__, errno);  
        return;  
    }  
    do  
    {  
        for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)  
        {  
            if(g_Events[i].status == 0)  
            {  
                break;  
            }  
        }  
        if(i == MAX_EVENTS)  
        {  
            printf("%s:max connection limit[%d].", __func__, MAX_EVENTS);  
            break;  
        }  
        // set nonblocking
        int iret = 0;
        if((iret = fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0)
        {
            printf("%s: fcntl nonblocking failed:%d", __func__, iret);
            break;
        }
        // add a read event for receive data  
        EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]);  
        EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, &g_Events[i]);  
    }while(0);  
    printf("new conn[%s:%d][time:%d], pos[%d]
", inet_ntoa(sin.sin_addr),
            ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active, i);  
}  
// receive data  
void RecvData(int fd, int events, void *arg)  
{  
    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;  
    int len;  
    // receive data
    len = recv(fd, ev->buff+ev->len, sizeof(ev->buff)-1-ev->len, 0);    
    EventDel(g_epollFd, ev);
    if(len > 0)
    {
        ev->len += len;
        ev->buff[len] = '';  
        printf("C[%d]:%s
", fd, ev->buff);  
        // change to send event  
        EventSet(ev, fd, SendData, ev);  
        EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT, ev);  
    }  
    else if(len == 0)  
    {  
        close(ev->fd);  
        printf("[fd=%d] pos[%d], closed gracefully.
", fd, ev-g_Events);  
    }  
    else  
    {  
        close(ev->fd);  
        printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s
", fd, errno, strerror(errno));  
    }  
}  
// send data  
void SendData(int fd, int events, void *arg)  
{  
    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;  
    int len;  
    // send data  
    len = send(fd, ev->buff + ev->s_offset, ev->len - ev->s_offset, 0);
    if(len > 0)  
    {
        printf("send[fd=%d], [%d<->%d]%s
", fd, len, ev->len, ev->buff);
        ev->s_offset += len;
        if(ev->s_offset == ev->len)
        {
            // change to receive event
            EventDel(g_epollFd, ev);  
            EventSet(ev, fd, RecvData, ev);  
            EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, ev);  
        }
    }  
    else  
    {  
        close(ev->fd);  
        EventDel(g_epollFd, ev);  
        printf("send[fd=%d] error[%d]
", fd, errno);  
    }  
}  
void InitListenSocket(int epollFd, short port)  
{  
    int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
    fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking  
    printf("server listen fd=%d
", listenFd);  
    EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVENTS]);  
    // add listen socket  
    EventAdd(epollFd, EPOLLIN, &g_Events[MAX_EVENTS]);  
    // bind & listen  
    sockaddr_in sin;  
    bzero(&sin, sizeof(sin));  
    sin.sin_family = AF_INET;  
    sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  
    sin.sin_port = htons(port);  
    bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin));  
    listen(listenFd, 5);  
}  
int main(int argc, char **argv)  
{  
    unsigned short port = 12345; // default port  
    if(argc == 2){  
        port = atoi(argv[1]);  
    }  
    // create epoll  
    g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS);  
    if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d
", g_epollFd);  
    // create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking  
    InitListenSocket(g_epollFd, port);  
    // event loop  
    struct epoll_event events[MAX_EVENTS];  
    printf("server running:port[%d]
", port);  
    int checkPos = 0;  
    while(1){  
        // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event  
        long now = time(NULL);  
        for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd  
        {  
            if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle  
            if(g_Events[checkPos].status != 1) continue;  
            long duration = now - g_Events[checkPos].last_active;  
            if(duration >= 60) // 60s timeout  
            {  
                close(g_Events[checkPos].fd);  
                printf("[fd=%d] timeout[%d--%d].
", g_Events[checkPos].fd, g_Events[checkPos].last_active, now);  
                EventDel(g_epollFd, &g_Events[checkPos]);  
            }  
        }  
        // wait for events to happen  
        int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000);  
        if(fds < 0){  
            printf("epoll_wait error, exit
");  
            break;  
        }  
        for(int i = 0; i < fds; i++){  
            myevent_s *ev = (struct myevent_s*)events[i].data.ptr;  
            if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN)) // read event  
            {  
                ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);  
            }  
            if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT)) // write event  
            {  
                ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);  
            }  
        }  
    }  
    // free resource  
    return 0;  
}  

　　

7 触发方式

LT（Level_triggered 水平触发 ）：是epoll缺省的工作方式，并且同时支持block和no-block socket.在这种做法中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的，直至变为未就绪状态，也就是epoll_wait()会通知处理程序去读写。如果这次没有把数据一次性全部读写完(如读写缓冲区太小)，那么下次调用 epoll_wait()时，它还会通知你在上次没读写完的文件描述符上继续读写所以，这种模式编程出错误可能性要小一点。传统的select/poll都是只有这种触发方式。 
ET （Edge_triggered边缘触发 ）：是高速工作方式，只支持no-block socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll_wait()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，然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，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。