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  • epoll重要


    EPOLL事件分发系统可以运转在两种模式下:Edge Triggered (ET)、Level Triggered (LT)。

    LT是缺省的工作方式,并且同时支持block和no-blocksocket;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,所以,这种模式编程出错误可能性要小一点。传统的select/poll都是这种模型的代表。

    ET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告诉你。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,直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了。但是请注意,如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪),内核不会发送更多的通知。

    后面才是我想说的内容,既然ET模式是高速模式,那我们进行服务器开发是一定要使用的了,可是查遍文档,也没有找到ET模式的设置方法,到底如何设置和使 用呢?通过反复测试,终于搞明白“EPOLLET”就是ET模式的设置了,也许是我太笨所以才迷惑这么久了,以下就是将TCP套接字hSocket和 epoll关联起来的代码:

    struct epoll_event struEvent;

    struEvent.events = EPOLLIN | EPOLLOUT |EPOLLET;

    struEvent.data.fd = hSocket;

       epoll_ctl(m_hEpoll, EPOLL_CTL_ADD, hSocket, &struEvent);

    如果将监听套接字m_hListenSocket和epoll关联起来,则代码如下:

    struct epoll_event struEvent;

    struEvent.events = EPOLLIN | EPOLLET;

    struEvent.data.fd = m_hListenSocket;

       epoll_ctl(m_hEpoll, EPOLL_CTL_ADD, m_hListenSocket, &struEvent);

    如果想使用LT模式,直接把事件的赋值修改为以下即可,也许这就是缺省的意义吧。

    struEvent.events = EPOLLIN | EPOLLOUT; //用户TCP套接字

    struEvent.events = EPOLLIN;     //监听TCP套接字

    不过,通过我的测试确定,这两种模式的性能差距还是非常大的,最大可以达到10倍。100个连接的压力测试,其他环境都相同,LT模式CPU消耗99%、ET模式15%。

    epoll精髓

    在linux的网络编程中,很长的时间都在使用select来做事件触发。在linux新的内核中,有了一种替换它的机制,就是epoll。
    相比于select,epoll最大的好处在于它不会随着监听fd数目的增长而降低效率。因为在内核中的select实现中,它是采用轮询来处理的,轮询的fd数目越多,自然耗时越多。并且,在linux/posix_types.h头文件有这样的声明:
    #define __FD_SETSIZE   1024
    表示select最多同时监听1024个fd,当然,可以通过修改头文件再重编译内核来扩大这个数目,但这似乎并不治本。

    epoll的接口非常简单,一共就三个函数:
    1. intepoll_create(int size);
    创建一个epoll的句柄,size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。这个参数不同于select()中的第一个参数,给出最大监听的fd+1的值。需要注意的是,当创建好epoll句柄后,它就是会占用一个fd值,在linux下如果查看/proc/进程id/fd/,是能够看到这个fd的,所以在使用完epoll后,必须调用close()关闭,否则可能导致fd被耗尽。


    2. intepoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
    epoll的事件注册函数,它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件,而是在这里先注册要监听的事件类型。第一个参数是epoll_create()的返回值,第二个参数表示动作,用三个宏来表示:
    EPOLL_CTL_ADD:注册新的fd到epfd中;
    EPOLL_CTL_MOD:修改已经注册的fd的监听事件;
    EPOLL_CTL_DEL:从epfd中删除一个fd;
    第三个参数是需要监听的fd,第四个参数是告诉内核需要监听什么事,struct epoll_event结构如下:
    struct epoll_event {
      __uint32_t events;  /* Epoll events */
      epoll_data_t data;  /* User data variable */
    };

    events可以是以下几个宏的集合:
    EPOLLIN :表示对应的文件描述符可以读(包括对端SOCKET正常关闭);
    EPOLLOUT:表示对应的文件描述符可以写;
    EPOLLPRI:表示对应的文件描述符有紧急的数据可读(这里应该表示有带外数据到来);
    EPOLLERR:表示对应的文件描述符发生错误;
    EPOLLHUP:表示对应的文件描述符被挂断;
    EPOLLET:将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式,这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。
    EPOLLONESHOT:只监听一次事件,当监听完这次事件之后,如果还需要继续监听这个socket的话,需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里


    3. intepoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
    等待事件的产生,类似于select()调用。参数events用来从内核得到事件的集合,maxevents告之内核这个events有多大,这个maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size,参数timeout是超时时间(毫秒,0会立即返回,-1将不确定,也有说法说是永久阻塞)。该函数返回需要处理的事件数目,如返回0表示已超时。

    --------------------------------------------------------------------------------------------

    从man手册中,得到ET和LT的具体描述如下

    EPOLL事件有两种模型:
    Edge Triggered (ET)
    Level Triggered (LT)

    假如有这样一个例子:
    1. 我们已经把一个用来从管道中读取数据的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符
    2. 这个时候从管道的另一端被写入了2KB的数据
    3. 调用epoll_wait(2),并且它会返回RFD,说明它已经准备好读取操作
    4. 然后我们读取了1KB的数据
    5. 调用epoll_wait(2)......

    Edge Triggered 工作模式:
    如果我们在第1步将RFD添加到epoll描述符的时候使用了EPOLLET标志,那么在第5步调用epoll_wait(2)之后将有可能会挂起,因为剩余的数据还存在于文件的输入缓冲区内,而且数据发出端还在等待一个针对已经发出数据的反馈信息。只有在监视的文件句柄上发生了某个事件的时候 ET 工作模式才会汇报事件。因此在第5步的时候,调用者可能会放弃等待仍在存在于文件输入缓冲区内的剩余数据。在上面的例子中,会有一个事件产生在RFD句柄上,因为在第2步执行了一个写操作,然后,事件将会在第3步被销毁。因为第4步的读取操作没有读空文件输入缓冲区内的数据,因此我们在第5步调用 epoll_wait(2)完成后,是否挂起是不确定的。epoll工作在ET模式的时候,必须使用非阻塞套接口,以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。最好以下面的方式调用ET模式的epoll接口,在后面会介绍避免可能的缺陷。
       i    基于非阻塞文件句柄
       ii   只有当read(2)或者write(2)返回EAGAIN时才需要挂起,等待。但这并不是说每次read()时都需要循环读,直到读到产生一个EAGAIN才认为此次事件处理完成,当read()返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时,就可以确定此时缓冲中已没有数据了,也就可以认为此事读事件已处理完成。

    Level Triggered 工作模式
    相反的,以LT方式调用epoll接口的时候,它就相当于一个速度比较快的poll(2),并且无论后面的数据是否被使用,因此他们具有同样的职能。因为即使使用ET模式的epoll,在收到多个chunk的数据的时候仍然会产生多个事件。调用者可以设定EPOLLONESHOT标志,在 epoll_wait(2)收到事件后epoll会与事件关联的文件句柄从epoll描述符中禁止掉。因此当EPOLLONESHOT设定后,使用带有 EPOLL_CTL_MOD标志的epoll_ctl(2)处理文件句柄就成为调用者必须作的事情。


    然后详细解释ET, LT:

    LT(level triggered)是缺省的工作方式,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,所以,这种模式编程出错误可能性要小一点。传统的select/poll都是这种模型的代表.

    ET(edge-triggered)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告诉你。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,直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了(比如,你在发送,接收或者接收请求,或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK 错误)。但是请注意,如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪),内核不会发送更多的通知(only once),不过在TCP协议中,ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark确认(这句话不理解)。

    在许多测试中我们会看到如果没有大量的idle -connection或者dead-connection,epoll的效率并不会比select/poll高很多,但是当我们遇到大量的idle- connection(例如WAN环境中存在大量的慢速连接),就会发现epoll的效率大大高于select/poll。(未测试)



    另外,当使用epoll的ET模型来工作时,当产生了一个EPOLLIN事件后,
    读数据的时候需要考虑的是当recv()返回的大小如果等于请求的大小,那么很有可能是缓冲区还有数据未读完,也意味着该次事件还没有处理完,所以还需要再次读取:
    while(rs)
    {
      buflen = recv(activeevents[i].data.fd, buf, sizeof(buf), 0);
      if(buflen < 0)
      {
        // 由于是非阻塞的模式,所以当errno为EAGAIN时,表示当前缓冲区已无数据可读
        // 在这里就当作是该次事件已处理处.
        if(errno == EAGAIN)
         break;
        else
         return;
       }
       else if(buflen == 0)
       {
         // 这里表示对端的socket已正常关闭.
       }
      if(buflen == sizeof(buf)
         rs = 1;   // 需要再次读取
       else
         rs = 0;
    }


    还有,假如发送端流量大于接收端的流量(意思是epoll所在的程序读比转发的socket要快),由于是非阻塞的socket,那么send()函数虽然返回,但实际缓冲区的数据并未真正发给接收端,这样不断的读和发,当缓冲区满后会产生EAGAIN错误(参考man send),同时,不理会这次请求发送的数据.所以,需要封装socket_send()的函数用来处理这种情况,该函数会尽量将数据写完再返回,返回-1表示出错。在socket_send()内部,当写缓冲已满(send()返回-1,且errno为EAGAIN),那么会等待后再重试.这种方式并不很完美,在理论上可能会长时间的阻塞在socket_send()内部,但暂没有更好的办法.

    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)
        {
          // 当send收到信号时,可以继续写,但这里返回-1.
          if(errno == EINTR)
            return -1;

          // 当socket是非阻塞时,如返回此错误,表示写缓冲队列已满,
          // 在这里做延时后再重试.
          if(errno == EAGAIN)
          {
            usleep(1000);
            continue;
          }

          return -1;
        }

        if((size_t)tmp == total)
          return buflen;

        total -= tmp;
        p += tmp;
      }

      return tmp;
    }

    不过在TCP协议中,ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark确认(这句话不理解)。
    -----------------
    这句话的意思是在TCP协议中,这个ET模式的运行效率还需要更多的测试~~

    应该是这样的:buffer写满后,当再有EPOLLOUT事件发生,就要等待(阻塞)了了 等buffer有空余空间时再处理EPOLLOUT事件

    EPOLLOUT事件的意思就是 当前这个socket的发送状态是空闲的,此时处理能力很强,告知用户可以发送数据。 
    所以在正常情况下,基本上socket在epoll_wait后,都会得到一个socket的EPOLLOUT事件。【如果你不是一直在写数据或者你不是在传送一个几百M的数据文件,send一半都处于空闲状态】 
    而这个特性刚好可以处理楼主所谓的 阻塞问题。 
    当数据发送不出去的时候,说明网络阻塞或者延迟太厉害了。 
    那么将要发送的数据放在一个buffer中,当下次你发现了EPOLLOUT事件时,说明现在网络处于空闲状态,OK,此时你可以用另外一个线程来发送上次堆积在buffer中的数据了。这样就不会阻塞了

    EPOLLOUT只有在缓冲区已经满了,不可以发送了,过了一会儿缓冲区中有空间了,就会触发EPOLLOUT,而且只触发一次

    我们目前的网络模型大都是epoll的,因为epoll模型会比select模型性能高很多, 尤其在大连接数的情况下,作为后台开发人员需要理解其中的原因。

    select/epoll的特点

    select的特点:select 选择句柄的时候,是遍历所有句柄,也就是说句柄有事件响应时,select需要遍历所有句柄才能获取到哪些句柄有事件通知,因此效率是非常低。但是如果连接很少的情况下, select和epoll的LT触发模式相比, 性能上差别不大。

    这里要多说一句,select支持的句柄数是有限制的, 同时只支持1024个,这个是句柄集合限制的,如果超过这个限制,很可能导致溢出,而且非常不容易发现问题, TAF就出现过这个问题, 调试了n天,才发现:)当然可以通过修改linux的socket内核调整这个参数。

    epoll的特点:epoll对于句柄事件的选择不是遍历的,是事件响应的,就是句柄上事件来就马上选择出来,不需要遍历整个句柄链表,因此效率非常高,内核将句柄用红黑树保存的。

    对于epoll而言还有ET和LT的区别,LT表示水平触发,ET表示边缘触发,两者在性能以及代码实现上差别也是非常大的。

    epoll的LT和ET的区别

    LT:水平触发,效率会低于ET触发,尤其在大并发,大流量的情况下。但是LT对代码编写要求比较低,不容易出现问题。LT模式服务编写上的表现是:只要有数据没有被获取,内核就不断通知你,因此不用担心事件丢失的情况。

    ET:边缘触发,效率非常高,在并发,大流量的情况下,会比LT少很多epoll的系统调用,因此效率高。但是对编程要求高,需要细致的处理每个请求,否则容易发生丢失事件的情况。

    下面举一个列子来说明LT和ET的区别(都是非阻塞模式,阻塞就不说了,效率太低):

    采用LT模式下, 如果accept调用有返回就可以马上建立当前这个连接了,再epoll_wait等待下次通知,和select一样。

    但是对于ET而言,如果accpet调用有返回,除了建立当前这个连接外,不能马上就epoll_wait还需要继续循环accpet,直到返回-1,且errno==EAGAIN,TAF里面的示例代码:

    if(ev.events& EPOLLIN)

    {

        do

        {

            struct sockaddr_in stSockAddr;

            socklen_t iSockAddrSize =sizeof(sockaddr_in);

            TC_Socket cs;

            cs.setOwner(false);

            //接收连接

            TC_Socket s;

            s.init(fd, false, AF_INET);

            int iRetCode = s.accept(cs, (structsockaddr *) &stSockAddr, iSockAddrSize);

            if (iRetCode > 0)

            {

                …建立连接

            }

            else

            {

                //直到发生EAGAIN才不继续accept

                if(errno == EAGAIN)

                {

                    break;

                }

            }

        }while(true);

    }

    同样,recv/send等函数, 都需要到errno==EAGAIN

    从本质上讲:与LT相比,ET模型是通过减少系统调用来达到提高并行效率的。

    epoll ET详解

    ET模型的逻辑:内核的读buffer有内核态主动变化时,内核会通知你, 无需再去mod。写事件是给用户使用的,最开始add之后,内核都不会通知你了,你可以强制写数据(直到EAGAIN或者实际字节数小于 需要写的字节数),当然你可以主动mod OUT,此时如果句柄可以写了(send buffer有空间),内核就通知你。

    这里内核态主动的意思是:内核从网络接收了数据放入了读buffer(会通知用户IN事件,即用户可以recv数据)

    并且这种通知只会通知一次,如果这次处理(recv)没有到刚才说的两种情况(EAGIN或者实际字节数小于 需要读写的字节数),则该事件会被丢弃,直到下次buffer发生变化。

    与LT的差别就在这里体现,LT在这种情况下,事件不会丢弃,而是只要读buffer里面有数据可以让用户读,则不断的通知你。

    另外对于ET而言,当然也不一定非send/recv到前面所述的结束条件才结束,用户可以自己随时控制,即用户可以在自己认为合适的时候去设置IN和OUT事件:

    1 如果用户主动epoll_mod OUT事件,此时只要该句柄可以发送数据(发送buffer不满),则epoll

    _wait就会响应(有时候采用该机制通知epoll_wai醒过来)。

    2 如果用户主动epoll_mod IN事件,只要该句柄还有数据可以读,则epoll_wait会响应。

    这种逻辑在普通的服务里面都不需要,可能在某些特殊的情况需要。 但是请注意,如果每次调用的时候都去epoll mod将显著降低效率,已经吃过几次亏了!

    因此采用et写服务框架的时候,最简单的处理就是:

    建立连接的时候epoll_add IN和OUT事件, 后面就不需要管了

    每次read/write的时候,到两种情况下结束:

    1 发生EAGAIN

    2read/write的实际字节数小于 需要读写的字节数

    对于第二点需要注意两点:

    A:如果是UDP服务,处理就不完全是这样,必须要recv到发生EAGAIN为止,否则就丢失事件了

    因为UDP和TCP不同,是有边界的,每次接收一定是一个完整的UDP包,当然recv的buffer需要至少大于一个UDP包的大小

    随便再说一下,一个UDP包到底应该多大?

    对于internet,由于MTU的限制,UDP包的大小不要超过576个字节,否则容易被分包,对于公司的IDC环境,建议不要超过1472,否则也比较容易分包。

    B 如果发送方发送完数据以后,就close连接,这个时候如果recv到数据是实际字节数小于读写字节数,根据开始所述就认为到EAGIN了从而直接返回,等待下一次事件,这样是有问题的,close事件丢失了!

    因此如果依赖这种关闭逻辑的服务,必须接收数据到EAGIN为止,例如lb。

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