【操作系统】【网络系统】I/O 多路复用：select/poll/epoll

1  前言

我们以最简单 socket 网络模型，一步一步的到 I/O 多路复用，具体细节每个系统调用的参数的这里不说哈。

2  最基本的 Socket 模型

要想客户端和服务器能在网络中通信，那必须得使用 Socket 编程，它是进程间通信里比较特别的方式，特别之处在于它是可以跨主机间通信。

Socket 的中文名叫作插口，咋一看还挺迷惑的。事实上，双方要进行网络通信前，各自得创建一个 Socket，这相当于客户端和服务器都开了一个“口子”，双方读取和发送数据的时候，都通过这个“口子”。这样一看，是不是觉得很像弄了一根网线，一头插在客户端，一头插在服务端，然后进行通信。

创建 Socket 的时候，可以指定网络层使用的是 IPv4 还是 IPv6，传输层使用的是 TCP 还是 UDP。

UDP 的 Socket 编程相对简单些，这里我们只介绍基于 TCP 的 Socket 编程。

服务器的程序要先跑起来，然后等待客户端的连接和数据，我们先来看看服务端的 Socket 编程过程是怎样的。

服务端首先调用 socket() 函数，创建网络协议为 IPv4，以及传输协议为 TCP 的 Socket ，接着调用 bind() 函数，给这个 Socket 绑定一个 IP 地址和端口，绑定这两个的目的是什么？

  • 绑定端口的目的：当内核收到 TCP 报文，通过 TCP 头里面的端口号，来找到我们的应用程序，然后把数据传递给我们。
  • 绑定 IP 地址的目的：一台机器是可以有多个网卡的，每个网卡都有对应的 IP 地址，当绑定一个网卡时，内核在收到该网卡上的包，才会发给我们；

绑定完 IP 地址和端口后，就可以调用 listen() 函数进行监听，此时对应 TCP 状态图中的 listen，如果我们要判定服务器中一个网络程序有没有启动，可以通过 netstat 命令查看对应的端口号是否有被监听。

服务端进入了监听状态后，通过调用 accept() 函数，来从内核获取客户端的连接，如果没有客户端连接，则会阻塞等待客户端连接的到来。

那客户端是怎么发起连接的呢？客户端在创建好 Socket 后，调用 connect() 函数发起连接，该函数的参数要指明服务端的 IP 地址和端口号，然后万众期待的 TCP 三次握手就开始了。

在 TCP 连接的过程中，服务器的内核实际上为每个 Socket 维护了两个队列：

  • 一个是「还没完全建立」连接的队列，称为 TCP 半连接队列，这个队列都是没有完成三次握手的连接，此时服务端处于 syn_rcvd 的状态；
  • 一个是「已经建立」连接的队列，称为 TCP 全连接队列，这个队列都是完成了三次握手的连接，此时服务端处于 established 状态；

当 TCP 全连接队列不为空后，服务端的 accept() 函数，就会从内核中的 TCP 全连接队列里拿出一个已经完成连接的 Socket 返回应用程序，后续数据传输都用这个 Socket。

注意，监听的 Socket 和真正用来传数据的 Socket 是两个：

  • 一个叫作监听 Socket；
  • 一个叫作已连接 Socket；

连接建立后，客户端和服务端就开始相互传输数据了，双方都可以通过 read() 和 write() 函数来读写数据。

至此， TCP 协议的 Socket 程序的调用过程就结束了，整个过程如下图：

看到这，不知道你有没有觉得读写 Socket 的方式，好像读写文件一样。

是的，基于 Linux 一切皆文件的理念，在内核中 Socket 也是以「文件」的形式存在的，也是有对应的文件描述符。

PS : 下面会说到内核里的数据结构，不感兴趣的可以跳过这一部分，不会对后续的内容有影响。

文件描述符的作用是什么？每一个进程都有一个数据结构 task_struct，该结构体里有一个指向「文件描述符数组」的成员指针。该数组里列出这个进程打开的所有文件的文件描述符。数组的下标是文件描述符，是一个整数，而数组的内容是一个指针，指向内核中所有打开的文件的列表，也就是说内核可以通过文件描述符找到对应打开的文件。

然后每个文件都有一个 inode，Socket 文件的 inode 指向了内核中的 Socket 结构，在这个结构体里有两个队列，分别是发送队列和接收队列，这个两个队列里面保存的是一个个 struct sk_buff，用链表的组织形式串起来。

sk_buff 可以表示各个层的数据包，在应用层数据包叫 data，在 TCP 层我们称为 segment，在 IP 层我们叫 packet，在数据链路层称为 frame。

你可能会好奇，为什么全部数据包只用一个结构体来描述呢？协议栈采用的是分层结构，上层向下层传递数据时需要增加包头，下层向上层数据时又需要去掉包头，如果每一层都用一个结构体，那在层之间传递数据的时候，就要发生多次拷贝，这将大大降低 CPU 效率。

于是，为了在层级之间传递数据时，不发生拷贝，只用 sk_buff 一个结构体来描述所有的网络包，那它是如何做到的呢？是通过调整 sk_buff 中 data 的指针，比如：

  • 当接收报文时，从网卡驱动开始，通过协议栈层层往上传送数据报，通过增加 skb->data 的值，来逐步剥离协议首部。
  • 当要发送报文时，创建 sk_buff 结构体，数据缓存区的头部预留足够的空间，用来填充各层首部，在经过各下层协议时，通过减少 skb->data 的值来增加协议首部。

你可以从下面这张图看到，当发送报文时，data 指针的移动过程。

3  如何服务更多的用户？

前面提到的 TCP Socket 调用流程是最简单、最基本的，它基本只能一对一通信，因为使用的是同步阻塞的方式，当服务端在还没处理完一个客户端的网络 I/O 时，或者 读写操作发生阻塞时，其他客户端是无法与服务端连接的。

可如果我们服务器只能服务一个客户，那这样就太浪费资源了，于是我们要改进这个网络 I/O 模型，以支持更多的客户端。

在改进网络 I/O 模型前，我先来提一个问题，你知道服务器单机理论最大能连接多少个客户端？

相信你知道 TCP 连接是由四元组唯一确认的，这个四元组就是：本机IP, 本机端口, 对端IP, 对端端口。

服务器作为服务方，通常会在本地固定监听一个端口，等待客户端的连接。因此服务器的本地 IP 和端口是固定的，于是对于服务端 TCP 连接的四元组只有对端 IP 和端口是会变化的，所以最大 TCP 连接数 = 客户端 IP 数×客户端端口数。

对于 IPv4，客户端的 IP 数最多为 2 的 32 次方，客户端的端口数最多为 2 的 16 次方，也就是服务端单机最大 TCP 连接数约为 2 的 48 次方。

这个理论值相当“丰满”，但是服务器肯定承载不了那么大的连接数，主要会受两个方面的限制：

  • 文件描述符，Socket 实际上是一个文件，也就会对应一个文件描述符。在 Linux 下，单个进程打开的文件描述符数是有限制的，没有经过修改的值一般都是 1024，不过我们可以通过 ulimit 增大文件描述符的数目；
  • 系统内存，每个 TCP 连接在内核中都有对应的数据结构，意味着每个连接都是会占用一定内存的；

那如果服务器的内存只有 2 GB，网卡是千兆的，能支持并发 1 万请求吗？

并发 1 万请求，也就是经典的 C10K 问题 ，C 是 Client 单词首字母缩写，C10K 就是单机同时处理 1 万个请求的问题。

从硬件资源角度看，对于 2GB 内存千兆网卡的服务器，如果每个请求处理占用不到 200KB 的内存和 100Kbit 的网络带宽就可以满足并发 1 万个请求。

不过，要想真正实现 C10K 的服务器，要考虑的地方在于服务器的网络 I/O 模型，效率低的模型，会加重系统开销，从而会离 C10K 的目标越来越远。

4  多进程模型

基于最原始的阻塞网络 I/O， 如果服务器要支持多个客户端，其中比较传统的方式，就是使用多进程模型，也就是为每个客户端分配一个进程来处理请求。

服务器的主进程负责监听客户的连接，一旦与客户端连接完成，accept() 函数就会返回一个「已连接 Socket」，这时就通过 fork() 函数创建一个子进程，实际上就把父进程所有相关的东西都复制一份，包括文件描述符、内存地址空间、程序计数器、执行的代码等。

这两个进程刚复制完的时候，几乎一模一样。不过，会根据返回值来区分是父进程还是子进程，如果返回值是 0，则是子进程；如果返回值是其他的整数，就是父进程。

正因为子进程会复制父进程的文件描述符，于是就可以直接使用「已连接 Socket 」和客户端通信了，

可以发现，子进程不需要关心「监听 Socket」，只需要关心「已连接 Socket」；父进程则相反，将客户服务交给子进程来处理，因此父进程不需要关心「已连接 Socket」，只需要关心「监听 Socket」。

下面这张图描述了从连接请求到连接建立，父进程创建生子进程为客户服务。

另外，当「子进程」退出时，实际上内核里还会保留该进程的一些信息，也是会占用内存的，如果不做好“回收”工作，就会变成僵尸进程，随着僵尸进程越多，会慢慢耗尽我们的系统资源。

因此，父进程要“善后”好自己的孩子，怎么善后呢？那么有两种方式可以在子进程退出后回收资源，分别是调用 wait() 和 waitpid() 函数。

这种用多个进程来应付多个客户端的方式，在应对 100 个客户端还是可行的，但是当客户端数量高达一万时，肯定扛不住的，因为每产生一个进程，必会占据一定的系统资源，而且进程间上下文切换的“包袱”是很重的，性能会大打折扣。

进程的上下文切换不仅包含了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的资源。

5  多线程模型

既然进程间上下文切换的“包袱”很重，那我们就搞个比较轻量级的模型来应对多用户的请求 —— 多线程模型。

线程是运行在进程中的一个“逻辑流”，单进程中可以运行多个线程，同进程里的线程可以共享进程的部分资源，比如文件描述符列表、进程空间、代码、全局数据、堆、共享库等，这些共享些资源在上下文切换时不需要切换，而只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据，因此同一个进程下的线程上下文切换的开销要比进程小得多。

当服务器与客户端 TCP 完成连接后，通过 pthread_create() 函数创建线程，然后将「已连接 Socket」的文件描述符传递给线程函数，接着在线程里和客户端进行通信，从而达到并发处理的目的。

如果每来一个连接就创建一个线程，线程运行完后，还得操作系统还得销毁线程，虽说线程切换的上写文开销不大，但是如果频繁创建和销毁线程，系统开销也是不小的。

那么，我们可以使用线程池的方式来避免线程的频繁创建和销毁，所谓的线程池，就是提前创建若干个线程，这样当由新连接建立时，将这个已连接的 Socket 放入到一个队列里，然后线程池里的线程负责从队列中取出「已连接 Socket 」进行处理。

需要注意的是，这个队列是全局的，每个线程都会操作，为了避免多线程竞争，线程在操作这个队列前要加锁。

上面基于进程或者线程模型的，其实还是有问题的。新到来一个 TCP 连接，就需要分配一个进程或者线程，那么如果要达到 C10K，意味着要一台机器维护 1 万个连接，相当于要维护 1 万个进程/线程，操作系统就算死扛也是扛不住的。

6  I/O 多路复用

既然为每个请求分配一个进程/线程的方式不合适，那有没有可能只使用一个进程来维护多个 Socket 呢？答案是有的，那就是 I/O 多路复用技术。

一个进程虽然任一时刻只能处理一个请求，但是处理每个请求的事件时，耗时控制在 1 毫秒以内，这样 1 秒内就可以处理上千个请求，把时间拉长来看，多个请求复用了一个进程，这就是多路复用，这种思想很类似一个 CPU 并发多个进程，所以也叫做时分多路复用。

我们熟悉的 select/poll/epoll 内核提供给用户态的多路复用系统调用，进程可以通过一个系统调用函数从内核中获取多个事件。

select/poll/epoll 是如何获取网络事件的呢？在获取事件时，先把所有连接（文件描述符）传给内核，再由内核返回产生了事件的连接，然后在用户态中再处理这些连接对应的请求即可。

select/poll/epoll 这是三个多路复用接口，都能实现 C10K 吗？接下来，我们分别说说它们。

6.1  select/poll

服务端需要管理多个客户端连接，而recv只能监视单个socket，这种矛盾下，人们开始寻找监视多个socket的方法。epoll的要义是高效的监视多个socket。从历史发展角度看，必然先出现一种不太高效的方法，人们再加以改进。只有先理解了不太高效的方法，才能够理解epoll的本质。

假如能够预先传入一个socket列表，如果列表中的socket都没有数据，挂起进程，直到有一个socket收到数据，唤醒进程。这种方法很直接，也是select的设计思想。

select 实现多路复用的方式是，将已连接的 Socket 都放到一个文件描述符集合，然后调用 select 函数将文件描述符集合拷贝到内核里，让内核来检查是否有网络事件产生，检查的方式很粗暴，就是通过遍历文件描述符集合的方式，当检查到有事件产生后，将此 Socket 标记为可读或可写， 接着再把整个文件描述符集合拷贝回用户态里，然后用户态还需要再通过遍历的方法找到可读或可写的 Socket，然后再对其处理。

所以，对于 select 这种方式，需要进行 2 次「遍历」文件描述符集合，一次是在内核态里，一个次是在用户态里 ，而且还会发生 2 次「拷贝」文件描述符集合，先从用户空间传入内核空间，由内核修改后，再传出到用户空间中。

select 使用固定长度的 BitsMap，表示文件描述符集合，而且所支持的文件描述符的个数是有限制的，在 Linux 系统中，由内核中的 FD_SETSIZE 限制， 默认最大值为 1024，只能监听 0~1023 的文件描述符。

poll 不再用 BitsMap 来存储所关注的文件描述符，取而代之用动态数组，以链表形式来组织，突破了 select 的文件描述符个数限制，当然还会受到系统文件描述符限制。

但是 poll 和 select 并没有太大的本质区别，都是使用「线性结构」存储进程关注的 Socket 集合，因此都需要遍历文件描述符集合来找到可读或可写的 Socket，时间复杂度为 O(n)，而且也需要在用户态与内核态之间拷贝文件描述符集合，这种方式随着并发数上来，性能的损耗会呈指数级增长。

6.2  epoll

先复习下 epoll 的用法。如下的代码中，先用e poll_create 创建一个 epol l对象 epfd，再通过 epoll_ctl 将需要监视的 socket 添加到epfd中，最后调用 epoll_wait 等待数据。

int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bind(s, ...);
listen(s, ...)

int epfd = epoll_create(...);
epoll_ctl(epfd, ...); //将所有需要监听的socket添加到epfd中

while(1) {
    int n = epoll_wait(...);
    for(接收到数据的socket){
        //处理
    }
}

epoll 通过两个方面，很好解决了 select/poll 的问题。

第一点，epoll 在内核里使用红黑树来跟踪进程所有待检测的文件描述字，把需要监控的 socket 通过 epoll_ctl() 函数加入内核中的红黑树里，红黑树是个高效的数据结构，增删改一般时间复杂度是 O(logn)。而 select/poll 内核里没有类似 epoll 红黑树这种保存所有待检测的 socket 的数据结构，所以 select/poll 每次操作时都传入整个 socket 集合给内核，而 epoll 因为在内核维护了红黑树，可以保存所有待检测的 socket ，所以只需要传入一个待检测的 socket，减少了内核和用户空间大量的数据拷贝和内存分配。

第二点， epoll 使用事件驱动的机制，内核里维护了一个链表来记录就绪事件，当某个 socket 有事件发生时，通过回调函数内核会将其加入到这个就绪事件列表中，当用户调用 epoll_wait() 函数时，只会返回有事件发生的文件描述符的个数，不需要像 select/poll 那样轮询扫描整个 socket 集合，大大提高了检测的效率。

从下图你可以看到 epoll 相关的接口作用：

epoll 的方式即使监听的 Socket 数量越多的时候，效率不会大幅度降低，能够同时监听的 Socket 的数目也非常的多了，上限就为系统定义的进程打开的最大文件描述符个数。因而，epoll 被称为解决 C10K 问题的利器。

插个题外话，网上文章不少说，epoll_wait 返回时，对于就绪的事件，epoll 使用的是共享内存的方式，即用户态和内核态都指向了就绪链表，所以就避免了内存拷贝消耗。

这是错的！看过 epoll 内核源码的都知道，压根就没有使用共享内存这个玩意。你可以从下面这份代码看到， epoll_wait 实现的内核代码中调用了 __put_user 函数，这个函数就是将数据从内核拷贝到用户空间。

好了，这个题外话就说到这了，我们继续！

边缘触发和水平触发

epoll 支持两种事件触发模式，分别是边缘触发（edge-triggered，ET）和水平触发（level-triggered，LT）。

这两个术语还挺抽象的，其实它们的区别还是很好理解的。

  • 使用边缘触发模式时，当被监控的 Socket 描述符上有可读事件发生时，服务器端只会从 epoll_wait 中苏醒一次，即使进程没有调用 read 函数从内核读取数据，也依然只苏醒一次，因此我们程序要保证一次性将内核缓冲区的数据读取完；
  • 使用水平触发模式时，当被监控的 Socket 上有可读事件发生时，服务器端不断地从 epoll_wait 中苏醒，直到内核缓冲区数据被 read 函数读完才结束，目的是告诉我们有数据需要读取；

举个例子，你的快递被放到了一个快递箱里，如果快递箱只会通过短信通知你一次，即使你一直没有去取，它也不会再发送第二条短信提醒你，这个方式就是边缘触发；如果快递箱发现你的快递没有被取出，它就会不停地发短信通知你，直到你取出了快递，它才消停，这个就是水平触发的方式。

这就是两者的区别，水平触发的意思是只要满足事件的条件，比如内核中有数据需要读，就一直不断地把这个事件传递给用户；而边缘触发的意思是只有第一次满足条件的时候才触发，之后就不会再传递同样的事件了。

如果使用水平触发模式，当内核通知文件描述符可读写时，接下来还可以继续去检测它的状态，看它是否依然可读或可写。所以在收到通知后，没必要一次执行尽可能多的读写操作。

如果使用边缘触发模式，I/O 事件发生时只会通知一次，而且我们不知道到底能读写多少数据，所以在收到通知后应尽可能地读写数据，以免错失读写的机会。因此，我们会循环从文件描述符读写数据，那么如果文件描述符是阻塞的，没有数据可读写时，进程会阻塞在读写函数那里，程序就没办法继续往下执行。所以，边缘触发模式一般和非阻塞 I/O 搭配使用，程序会一直执行 I/O 操作，直到系统调用（如 read 和 write）返回错误，错误类型为 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。

一般来说，边缘触发的效率比水平触发的效率要高，因为边缘触发可以减少 epoll_wait 的系统调用次数，系统调用也是有一定的开销的的，毕竟也存在上下文的切换。

select/poll 只有水平触发模式，epoll 默认的触发模式是水平触发，但是可以根据应用场景设置为边缘触发模式。

另外，使用 I/O 多路复用时，最好搭配非阻塞 I/O 一起使用，Linux 手册关于 select 的内容中有如下说明：

Under Linux, select() may report a socket file descriptor as "ready for reading", while nevertheless a subsequent read blocks. This could for example happen when data has arrived but upon examination has wrong checksum and is discarded. There may be other circumstances in which a file descriptor is spuriously reported as ready. Thus it may be safer to use O_NONBLOCK on sockets that should not block.

我谷歌翻译的结果：

在Linux下，select() 可能会将一个 socket 文件描述符报告为 "准备读取"，而后续的读取块却没有。例如，当数据已经到达，但经检查后发现有错误的校验和而被丢弃时，就会发生这种情况。也有可能在其他情况下，文件描述符被错误地报告为就绪。因此，在不应该阻塞的 socket 上使用 O_NONBLOCK 可能更安全。

简单点理解，就是多路复用 API 返回的事件并不一定可读写的，如果使用阻塞 I/O， 那么在调用 read/write 时则会发生程序阻塞，因此最好搭配非阻塞 I/O，以便应对极少数的特殊情况。

7  小结

最基础的 TCP 的 Socket 编程，它是阻塞 I/O 模型，基本上只能一对一通信，那为了服务更多的客户端，我们需要改进网络 I/O 模型。

比较传统的方式是使用多进程/线程模型，每来一个客户端连接，就分配一个进程/线程，然后后续的读写都在对应的进程/线程，这种方式处理 100 个客户端没问题，但是当客户端增大到 10000 个时，10000 个进程/线程的调度、上下文切换以及它们占用的内存，都会成为瓶颈。

为了解决上面这个问题，就出现了 I/O 的多路复用，可以只在一个进程里处理多个文件的 I/O，Linux 下有三种提供 I/O 多路复用的 API，分别是：select、poll、epoll。

select 和 poll 并没有本质区别，它们内部都是使用「线性结构」来存储进程关注的 Socket 集合。

在使用的时候，首先需要把关注的 Socket 集合通过 select/poll 系统调用从用户态拷贝到内核态，然后由内核检测事件，当有网络事件产生时，内核需要遍历进程关注 Socket 集合，找到对应的 Socket，并设置其状态为可读/可写，然后把整个 Socket 集合从内核态拷贝到用户态，用户态还要继续遍历整个 Socket 集合找到可读/可写的 Socket，然后对其处理。

很明显发现，select 和 poll 的缺陷在于，当客户端越多，也就是 Socket 集合越大，Socket 集合的遍历和拷贝会带来很大的开销，因此也很难应对 C10K。

epoll 是解决 C10K 问题的利器，通过两个方面解决了 select/poll 的问题。

  • epoll 在内核里使用「红黑树」来关注进程所有待检测的 Socket，红黑树是个高效的数据结构，增删改一般时间复杂度是 O(logn)，通过对这棵黑红树的管理，不需要像 select/poll 在每次操作时都传入整个 Socket 集合，减少了内核和用户空间大量的数据拷贝和内存分配。
  • epoll 使用事件驱动的机制，内核里维护了一个「链表」来记录就绪事件，只将有事件发生的 Socket 集合传递给应用程序，不需要像 select/poll 那样轮询扫描整个集合（包含有和无事件的 Socket ），大大提高了检测的效率。

而且，epoll 支持边缘触发和水平触发的方式，而 select/poll 只支持水平触发，一般而言，边缘触发的方式会比水平触发的效率高。

好啦，本节我们就看到这里哈，有理解不对的地方欢迎指正哈。

posted @ 2023-06-20 06:59  酷酷-  阅读(107)  评论(0)  编辑  收藏  举报