epoll源码及数据结构

一、epoll_create & epoll_create1

SYSCALL_DEFINE1(epoll_create, int, size)

sys_epoll_create->sys_epoll_create1

SYSCALL_DEFINE1(epoll_create1, int, flags)

sys_epoll_create1(入参检测等)->ep_alloc(分配eventpoll，并初始化锁、等待队列等结构)->[sys_epoll_create1]get_unused_fd_flags(分配fd)->[sys_epoll_create1]anon_inode_getfile(分配file)->[sys_epoll_create1]fd_install(关联file和fd)

 

anon_inode_getfile：

1. 该函数创建的文件共享使用一个inode，节省内存避免代码重复，inode：anon_inode_inode、 sb：anon_inode_mnt->mnt_sb、 fs：anon_inode_fs_type，初始化位置[anon_inode_init]。

2. 使用alloc_file分配一个文件，file->f_op = eventpoll_fops;

3. 设置file->f_flags = (O_RDWR | (flags & O_CLOEXEC)) & (O_ACCMODE | O_NONBLOCK); file->private_data =ep;

 

    其中eventpoll_fops注册了ep_show_fdinfo函数，允许我们在proc中查看对应epfd的epi信息

1. 1. lybxin@Inspiron:~$more /proc/1469/task/1469/fdinfo/4
   2. pos:0
   3. flags:02000002
   4. mnt_id:11
   5. tfd:        5 events:       19 data:     55b8247c8da0
   6. tfd:       13 events:       19 data:     55b8247ccc90
   7. tfd:       14 events:       19 data:     55b8248079a0
   8. tfd:        9 events:       19 data:     55b8247e9860
   9. tfd:       12 events:       1a data:     55b8247e9b40
   10. tfd:        8 events:       19 data:     55b8247caf90
   11. tfd:        7 events:       19 data:     55b824806490

 

二、epoll_ctl

SYSCALL_DEFINE4(epoll_ctl, int, epfd, int, op, int, fd,struct epoll_event __user *, event)

 

sys_epoll_ctl：

1. 如果不是EPOLL_CTL_DEL操作，则从用户空间复制epoll_event结构

2. 获取fd结构，epfd->f，需要操作的fd->tf

3. 目标fd对应的fd结构必须支持tf.file->f_op->poll操作

4. 处理EPOLLWAKEUP标志

5. 检验epfd对应有效的epoll文件描述符，且需要操作的fd与epfd不是对应同一个文件
   

6. 通过ep_loop_check检测epfd是否构成闭环或者连续epfd的深度超过5，对应宏EP_MAX_NESTS[4]

7. 通过ep_find查找这个epfd是否已经添加了目标fd文件

8. ADD/MOD操作自动添加POLLERR | POLLHUP这两个标志位

 

ep_loop_check:

1. visited_list：表示已经处理过的节点，假设epfd1下挂epfd2和epfd3，而epfd2和epfd3又同时挂epfd4，那么保证epfd只处理一次

2. tfile_check_list：保存非epoll文件的fd用于反向检查

3. 从源码和下面的测试来看这个闭环和深度检测只能从添加的fd向下检测，而不能向上检测，因此并不是所有场景都能有效的检测出来，如下测试，另外还有一种场景因为会跳过已经visit的节点，所以visit的节点的最大深度也可能会超过5。

4. 1. ---------------test1 start---------------  //正向查找只检测target fd
   2. add epfd2 to epfd1:add 1 success
   3. add epfd3 to epfd2:add 2 success
   4. add epfd4 to epfd3:add 3 success
   5. add epfd5 to epfd4:add 4 success
   6. add epfd6 to epfd5:add 5 success
   7. add epfd7 to epfd6:add 6 success
   8. add epfd8 to epfd7:add 7 success
   9. add epfd9 to epfd8:add 8 success
   10. ---------------test1 end---------------
   12. ---------------test2 start---------------  //正向查找只检测target fd
   13. add epfd1 to epfd2:add 1 success
   14. add epfd2 to epfd3:add 2 success
   15. add epfd3 to epfd4:add 3 success
   16. add epfd4 to epfd5:add 4 success
   17. add epfd5 to epfd6:add 5 success
   18. add epfd6 to epfd7:epoll_ctl error:Too many levels of symbolic links(errno:40)
   19. add epfd7 to epfd8:add 6 success
   20. add epfd8 to epfd9:add 7 success
   21. ---------------test2 end---------------
   23. ---------------test3 start---------------  //正向查找形成闭环 操作失败
   24. add epfd2 to epfd1:add 1 success
   25. add epfd3 to epfd2:add 2 success
   26. add epfd1 to epfd3:epoll_ctl error:Too many levels of symbolic links(errno:40)
   27. ---------------test3 end---------------

    

 

ep_insert：

1. max_user_watches：/proc/sys/fs/epoll/max_user_watches 每个用户同时watch的最大fd数目

2. 如果watch的总数超过max_user_watches，则返回ENOSPC

3. 如果从epi_cache分配epitem失败，则返回ENOMEM

4. 根据EPOLLWAKEUP标志注册wake up

5. 通过ep_item_poll把item添加到poll钩子中，并获取当前revents。最终会通过ep_ptable_queue_proc函数把eppoll_entry添加到sk->sk_wq->wait的头部，并通过pwq->llink添加到epi->pwqlist的尾部。这里每个epi对应一个pwqlist链表的原因是poll一些文件的时候，需要添加两次等待队列，如/dev/bsg/目录下面的文件。

6. 把epi插入到f_ep_links链表的尾部，list_add_tail_rcu(&epi->fllink, &tfile->f_ep_links);

7. 把epi插入到ep的红黑树中，ep_rbtree_insert(ep, epi);

8. 通过reverse_path_check进行反向检查

9. 如果获取到的revents中有用户关注的事件，并且epi未在ready链表中，那么把epi插入ready链表尾部 list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist);并尝试唤醒epoll_wait进程wake_up_locked(&ep->wq);以及file->poll()等待进程ep_poll_safewake(&ep->poll_wait)

10. 自增ep->user->epoll_watches

 

reverse_path_check：

1. 对于第一层反向检查不限制数目。

2. 对于第2-5层，限制引用数目分别为500、100、50、10，如下变量定义了上限，其中该变量第一个成员1000仅作占位使用，并不限制第一层引用总数，参考path_count_inc。static const int path_limits[PATH_ARR_SIZE] = { 1000, 500, 100, 50, 10 };

3. 对于5层以上则直接返回错误

4. 1. ---------------test4 反向查找---------------  //反向查找层数超过5
   2. add epfd2 to epfd1:add 1 success
   3. add epfd3 to epfd2:add 2 success
   4. add epfd4 to epfd3:add 3 success
   5. add listen_fd to epfd4:add 4 success
   6. add epfd5 to epfd4:add 5 success
   7. add listen_fd to epfd5:add 6 success
   8. add epfd6 to epfd5:add 7 success
   9. add listen_fd to epfd6:epoll_ctl error:Invalid argument(errno:22)
   10. add epfd7 to epfd6:add 8 success
   11. add listen_fd to epfd7:epoll_ctl error:Invalid argument(errno:22)
   12. add epfd8 to epfd7:add 9 success
   13. add epfd9 to epfd8:add 10 success
   14. add listen_fd to epfd9:epoll_ctl error:Invalid argument(errno:22)
   15. ---------------test4 end---------------
   17. ---------------test5 反向查找 i:0---------------  //第一层反向查找直到fd数目的上限才会失败添加第一层
   18. 添加第一层 add error num:1021  error:Bad file descriptor(errno:9)
   19. ---------------test5 end i:1020---------------
   21. ---------------test6 反向查找 i:0---------------   //第二层反向查找的限制为path_limits[1]
   22. 第二层 add error i:501  error:Invalid argument(errno:22)
   23. ---------------test6 end i:500---------------

    

ep_remove：

1. 移除一个epi

2. 从poll wait中移除

3. 从file的f_ep_links链表移除

4. 从红黑树中移除

5. 从ready链表中移除

6. 取消wakeup注册

7. 自减ep->user->epoll_watches

 

ep_modify：修改epi

1. 更新epi->event.events和epi->event.data

2. 根据EPOLLWAKEUP更新wake up

3. 刷新内存屏障smp_mb

4. 通过ep_item_poll获取revents，相比ep_insert差异在于并不会调用ep_ptable_queue_proc重新注册

5. 如果获取到的revents中有用户关注的事件，并且epi未在ready链表中，那么把epi插入ready链表尾部 list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist);并尝试唤醒epoll_wait进程wake_up_locked(&ep->wq);以及file->poll()等待进程ep_poll_safewake(&ep->poll_wait)

 

 

三、epoll_wait&epoll_pwait

 

SYSCALL_DEFINE4(epoll_wait, int, epfd, struct epoll_event __user *, events,int, maxevents, int, timeout)

sys_epoll_pwait->sys_epoll_wait

sys_epoll_wait：主要做参数检查和epfd 的校验，然后通过ep_poll进行操作

 

ep_poll：

1. 根据入参估计超时时间to和slack，或者设置timed_out标志位

2. 如果epoll_wait入参定时时间为0,那么直接通过ep_events_available判断当前是否有用户感兴趣的事件发生，如果有则通过ep_send_events进行处理

3. 如果定时时间大于0，并且当前没有用户关注的事件发生，则进行休眠，并添加到ep->wq等待队列的头部。 对等待事件描述符设置WQ_FLAG_EXCLUSIVE标志

4. ep_poll被事件唤醒后会重新检查是否有关注事件，如果对应的事件已经被抢走，那么ep_poll会继续休眠等待。

1. lybxin@Inspiron:~/MyRes/LNP/tcp/epolltest$./nesttest
2. -----------test8 测试epoll和accept同时等待的唤醒情况 epfd1:4,epfd:5,listen_fd:3-----------
3. lybxin@Inspiron:~/MyRes/LNP/tcp/epolltest$ss -tlnap | grep 9877
4. LISTEN     0      128          *:9877                     *:*                   users:(("nesttest",pid=6895,fd=3),("nesttest",pid=6894,fd=3),("nesttest",pid=6893,fd=3))
5. lybxin@Inspiron:~/MyRes/LNP/tcp/epolltest$nc  127.0.0.19877
6. epfd2 epoll_wait return:
7. i:0,nfds:1,fd:3,sec:238
8. epfd1 epoll_wait return:
9. i:0,nfds:1,fd:3,sec:238
10. accept return connfd:6,sec:238
11. ^C
12. lybxin@Inspiron:~/MyRes/LNP/tcp/epolltest$nc  127.0.0.19877
13. epfd2 epoll_wait return:
14. accept return connfd:7,sec:240
15. i:0,nfds:1,fd:3,sec:240
16. ^C
17. lybxin@Inspiron:~/MyRes/LNP/tcp/epolltest$nc  127.0.0.19877
18. epfd1 epoll_wait return:
19. accept return connfd:8,sec:242
20. i:0,nfds:1,fd:3,sec:242
21. ^C
22. lybxin@Inspiron:~/MyRes/LNP/tcp/epolltest$nc  127.0.0.19877
23. epfd2 epoll_wait return:
24. accept return connfd:9,sec:244
25. i:0,nfds:1,fd:3,sec:244
26. ^C
27. lybxin@Inspiron:~/MyRes/LNP/tcp/epolltest$nc  127.0.0.19877
28. epfd1 epoll_wait return:
29. i:0,nfds:1,fd:3,sec:246
30. epfd2 epoll_wait return:
31. i:0,nfds:1,fd:3,sec:246
32. accept return connfd:10,sec:246
33. ^C

 

select_estimate_accuracy：

1. 估计slack，最大为MAX_SLACK(100ms)，最小为current->timer_slack_ns(默认值为50000ns，即50 usec)，timer_slack_ns可以通过prctl的PR_SET_TIMERSLACK选项设置

2. nice 进程取定时时间的0.5%，普通进程取0.1%

 

ep_events_available：

1. 如果ready链ep->rdllist非空或者ep->ovflist有效，则表示当前有关注的event发生

 

 

ep_scan_ready_list[ep_send_events]：

1. epoll_wait的时候传递函数指针ep_send_events_proc给ep_scan_ready_list，epfd进行poll的时候则传递函数指针ep_read_events_proc

2. 把ep->rdllist链接到txlist，并清空ep->rdllist，设置ep->ovflist = NULL，表示当前正在往用户空间发送数据，新事件触发的epi插入到ep->ovflist的头部，参考ep_send_events_proc函数的注释

3. 调用传入的函数指针处理txlist

4. 把ep->ovflist插入到ep->rdllist

5. 设置ep->ovflist = EP_UNACTIVE_PTR; 表示当前需要往ready 链表插入事件epi

6. 把txlist中剩余元素插入ep->rdllist

7. 如果ready链表非空，尝试唤醒ep->wq和ep->poll_wait等待队列

 

ep_send_events_proc[ep_scan_ready_list]：

1. 读取txlist中已经ready的事件，获取事件的events，复制到用户空间，复制失败则把epi重新插入到ready链表

2. 如果设置了EPOLLONESHOT标志位，则设置epi->event.events &= EP_PRIVATE_BITS，其定义如下#define EP_PRIVATE_BITS (EPOLLWAKEUP | EPOLLONESHOT | EPOLLET)，后续根据EP_PRIVATE_BITS判断不再加入ep->rdllist或者ep->ovflist。注意设置了EPOLLONESHOT触发一次后并没有删除epi，因而通过epoll_ctl进行ADD操作后会提示File exists错误。

3. 如果设置了水平触发(没有EPOLLET标志位)，那么即使已经成功把事件传递到了用户空间也会把epi重新添加到ready链表尾部，这样下次进行epoll_wait的时候可以重新检查这个epi。注意EPOLLONESHOT优先于水平触发的处理，即同时设置水平触发和EPOLLONESHOT并不会把epi添加到ready链表。

 

 

 

来自为知笔记(Wiz)