【Linux IO模型】IO模型 - epoll的原理与应用
epoll原理与应用
介绍
epoll - I/O event notification facility
实现处理tcp请求，为一个连接对应一个线程,在高并发的场景，这种多线程模型于epoll相比就相形见绌了。epoll是linux2.6内核的一个新的系统调用，在设计之初，就是为了替代select,poll线性复杂度的模型，epoll的事件复杂度为O(1),也就是说epoll在高并发场景，随着文件描述符的增长，有良好的可扩展性。
- select和poll监听文件描述符list,进行一个线性的查找O(n)
- epoll：使用内核文件级别的回调机制O(1)
关键函数
- epoll_create1:创建一个epoll实例，文件描述符
- epoll_ctl：将江亭的文件描述符添加到epoll实例中，实例代码为将标准输入文件描述符添加到epoll中
- epoll_wait：等待epoll事件从epoll实例中发生，并返回事件以及对应文件描述符
epoll关键的核心数据结构：
typedef union epoll_data
{
void *ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint32_t u64;
}epoll_data_t;
struct epoll_event
{
uint32_t events; // epoll events
epoll_data_t data; // user data variable
};
边沿触发VS水平触发
epoll事件有两种模型，边沿触发：edge-triggered(ET),水平触发：level-triggered(LT)
水平触发
- socket接收缓冲区不为空，有数据可读，读事件一直触发
- socket发送缓冲区不满，可以继续写入数据，写事件一直触发
边沿触发
- socket接收缓冲区状态变化时触发读事件，即空的接收缓冲区刚接收到数据时触发读事件
- socket的发送缓冲区状态变化时触发写事件，即满的缓冲区刚空出空间时，触发读事件
边沿触发仅触发一次，水平触发会一直触发
事件宏
- 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数据可读
- 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设为边沿触发模式
- EPOLLONESHOT:只监听一次事件，当监听这次后，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
libevent采用水平触发，nginx采用边沿触发
epoll高效原理
epoll在linux内核中源码位于fs/eventpoll.c和include/linux/eventpoll.h。关键数据结构为epitem红黑树节点和eventpoll关键入口数据结构，维护着链表头节点ready list head和红黑树根节点RB-Tree root。
// 对应于一个加入到epoll的文件
struct epitem {
union {
/* 挂载到eventpoll 的红黑树节点 */
struct rb_node rbn;
/* Used to free the struct epitem */
struct rcu_head rcu;
};
/* 挂载到eventpoll.rdllist 的节点 */
struct list_head rdllink;
/*
* 连接到ovflist 的指针
*/
struct epitem *next;
/* 文件描述符信息fd + file, 红黑树的key */
struct epoll_filefd ffd;
/* Number of active wait queue attached to poll operations */
int nwait;
/* 包含轮询等待队列的列表 */
struct list_head pwqlist;
/*当前epitem 的所有者 */
struct eventpoll *ep;
/* List header used to link this item to the "struct file" items list */
struct list_head fllink;
/* 设置EPOLLWAKEUP时使用的wakeup_source*/
struct wakeup_source __rcu *ws;
/* epoll_ctl 传入的用户数据 */
struct epoll_event event;
};
/*
epoll的核心实现对应于一个epoll描述符
*/
struct eventpoll {
/*
* This mutex is used to ensure that files are not removed
* while epoll is using them. This is held during the event
* collection loop, the file cleanup path, the epoll file exit
* code and the ctl operations.
*/
struct mutex mtx;
/* sys_epoll_wait()等待在这里 */
wait_queue_head_t wq;
/* f_op->poll()使用的，被其他事件通知机制利用的wait_address */
wait_queue_head_t poll_wait;
/* 已就绪的需要检查的epitem列表*/
struct list_head rdllist;
/* 保护rdllist和ovflist的锁 */
rwlock_t lock;
/*创建在cache中的红黑树，用于存储以后epoll_ctl传来的socket外 */
struct rb_root_cached rbr;
// 当正在向用户空间复制数据时, 产生的可用文件
struct epitem *ovflist;
/* wakeup_source used when ep_scan_ready_list is running */
struct wakeup_source *ws;
/* The user that created the eventpoll descriptor */
struct user_struct *user;
struct file *file;
/* used to optimize loop detection check */
u64 gen;
#ifdef CONFIG_NET_RX_BUSY_POLL
/* used to track busy poll napi_id */
unsigned int napi_id;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
/* tracks wakeup nests for lockdep validation */
u8 nests;
#endif
};
epoll使用RB-Tree红黑树去监听并维护所有文件描述符，RB-Tree的根节点
调用epoll_create时，内核除了在epoll文件系统里建了一个file节点，在内核cache里建了一棵红黑树用于存储以后epoll_ctl传来的socket外，还会再建立一个list链表，用于存储准备就绪的事件。
当epoll_wait调用时，仅仅观察这个list链表里有没有数据即可。有数据就返回，没有数据就sleep,等到timeout事件到后及时链表没数据也返回。通常情况下及时需要监控百万计的句柄，大多一次也只返回很少量的准备就绪数据而已，所以epoll_wait仅需要从内核态copy少量数据到用户态即可。
准备就绪链表的维护：
当执行epoll_ctl时，除了把socket放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上，还会给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。所以当socket有数据到了，内核再把网卡的数据copy到内核中后，就来把socket插入到准备就绪的链表里了。
epoll相比于select并不是在所有情况下都要高效，例如在如果少于1024个文件描述符监听，且大多数socket都是处于活跃繁忙的状态，这种情况下，select要比epoll更加高效，因为epoll会有更多次的系统调用，用户态和内核态会有更加频繁的切换。
epoll高效的本质：
- 减少用户态和内核态的文件句柄拷贝
- 减少了对可读可写文件句柄的遍历
- mmap加速了内核与用户空间的信息传递，epoll是通过内核与用户mmap同一块内存，避免了无谓的内存拷贝
- IO性能不会随着监听的文件描述的数量增长而下降
- 使用红黑树存储fd，以及对应的回调函数，其插入，查找，删除性能都很好，相比于hash，不必预先分配很多空间
