https://wenfh2020.com/2020/04/23/epoll-code/
文章主要对 tcp 通信进行 epoll 源码走读。
Linux 源码:Linux 5.7 版本。epoll 核心源码:eventpoll.h / eventpoll.c。
搭建 epoll 内核调试环境视频:vscode + gdb 远程调试 linux (EPOLL) 内核源码
1. 应用场景
epoll 应用,适合海量用户,一个时间段内部分活跃的用户群体。
例如 app,正常用户并不是 24 小时都拿起手机玩个不停,可能玩一下,又去干别的事,回头又玩一下,断断续续地操作。即便正在使用 app 也不是连续产生读写通信事件,可能手指点击几下页面,页面产生需要的内容,用户就去浏览内容,不再操作了。换句话说,在海量用户里,同一个时间段内,很可能只有一小部分用户正在活跃,而在这一小部分活跃用户里,又只有一小撮人同时点击页面上的操作。那 epoll 管理海量用户,只需要将这一小撮人产生的事件,及时通知 appserver 处理逻辑即可。
2. 预备知识
3. 使用
- 使用流程
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/3202348/202308/3202348-20230830121027033-658039394.png)
图片来源:《epoll 多路复用 I/O工作流程》
4. 事件
常用事件注释可以请参考 epoll_ctl 文档。
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// eventpoll.h
#define EPOLLIN (__force __poll_t)0x00000001
#define EPOLLOUT (__force __poll_t)0x00000004
#define EPOLLERR (__force __poll_t)0x00000008
#define EPOLLHUP (__force __poll_t)0x00000010
#define EPOLLRDHUP (__force __poll_t)0x00002000
#define EPOLLEXCLUSIVE ((__force __poll_t)(1U << 28))
#define EPOLLET ((__force __poll_t)(1U << 31))
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事件 | 描述 |
EPOLLIN |
有可读数据到来。 |
EPOLLOUT |
有数据要写。 |
EPOLLERR |
该文件描述符发生错误。 |
EPOLLHUP |
该文件描述符被挂断。常见 socket 被关闭(read == 0)。 |
EPOLLRDHUP |
对端已关闭链接,或者用 shutdown 关闭了写链接。 |
EPOLLEXCLUSIVE |
唯一唤醒事件,主要为了解决 epoll_wait 惊群问题。多线程下多个 epoll_wait 同时等待,只唤醒一个 epoll_wait 执行。 该事件只支持 epoll_ctl 添加操作 EPOLL_CTL_ADD。 |
EPOLLET |
边缘触发模式。 |
通过 tcp_poll 函数,可以看到 socket 事件对应的相关事件逻辑。
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// tcp.c
/*
* Wait for a TCP event.
*
* Note that we don't need to lock the socket, as the upper poll layers
* take care of normal races (between the test and the event) and we don't
* go look at any of the socket buffers directly.
*/
__poll_t tcp_poll(struct file *file, struct socket *sock, poll_table *wait) {
__poll_t mask;
struct sock *sk = sock->sk;
const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
int state;
// fd 添加等待事件,关联事件回调。
sock_poll_wait(file, sock, wait);
// socket 对应事件逻辑。
state = inet_sk_state_load(sk);
if (state == TCP_LISTEN)
return inet_csk_listen_poll(sk);
/* Socket is not locked. We are protected from async events
* by poll logic and correct handling of state changes
* made by other threads is impossible in any case.
*/
mask = 0;
/*
* EPOLLHUP is certainly not done right. But poll() doesn't
* have a notion of HUP in just one direction, and for a
* socket the read side is more interesting.
*
* Some poll() documentation says that EPOLLHUP is incompatible
* with the EPOLLOUT/POLLWR flags, so somebody should check this
* all. But careful, it tends to be safer to return too many
* bits than too few, and you can easily break real applications
* if you don't tell them that something has hung up!
*
* Check-me.
*
* Check number 1. EPOLLHUP is _UNMASKABLE_ event (see UNIX98 and
* our fs/select.c). It means that after we received EOF,
* poll always returns immediately, making impossible poll() on write()
* in state CLOSE_WAIT. One solution is evident --- to set EPOLLHUP
* if and only if shutdown has been made in both directions.
* Actually, it is interesting to look how Solaris and DUX
* solve this dilemma. I would prefer, if EPOLLHUP were maskable,
* then we could set it on SND_SHUTDOWN. BTW examples given
* in Stevens' books assume exactly this behaviour, it explains
* why EPOLLHUP is incompatible with EPOLLOUT. --ANK
*
* NOTE. Check for TCP_CLOSE is added. The goal is to prevent
* blocking on fresh not-connected or disconnected socket. --ANK
*/
if (sk->sk_shutdown == SHUTDOWN_MASK || state == TCP_CLOSE)
mask |= EPOLLHUP;
if (sk->sk_shutdown & RCV_SHUTDOWN)
mask |= EPOLLIN | EPOLLRDNORM | EPOLLRDHUP;
/* Connected or passive Fast Open socket? */
if (state != TCP_SYN_SENT &&
(state != TCP_SYN_RECV || rcu_access_pointer(tp->fastopen_rsk))) {
int target = sock_rcvlowat(sk, 0, INT_MAX);
if (READ_ONCE(tp->urg_seq) == READ_ONCE(tp->copied_seq) &&
!sock_flag(sk, SOCK_URGINLINE) &&
tp->urg_data)
target++;
if (tcp_stream_is_readable(tp, target, sk))
mask |= EPOLLIN | EPOLLRDNORM;
if (!(sk->sk_shutdown & SEND_SHUTDOWN)) {
if (sk_stream_is_writeable(sk)) {
mask |= EPOLLOUT | EPOLLWRNORM;
} else { /* send SIGIO later */
sk_set_bit(SOCKWQ_ASYNC_NOSPACE, sk);
set_bit(SOCK_NOSPACE, &sk->sk_socket->flags);
/* Race breaker. If space is freed after
* wspace test but before the flags are set,
* IO signal will be lost. Memory barrier
* pairs with the input side.
*/
smp_mb__after_atomic();
if (sk_stream_is_writeable(sk))
mask |= EPOLLOUT | EPOLLWRNORM;
}
} else
mask |= EPOLLOUT | EPOLLWRNORM;
if (tp->urg_data & TCP_URG_VALID)
mask |= EPOLLPRI;
} else if (state == TCP_SYN_SENT && inet_sk(sk)->defer_connect) {
/* Active TCP fastopen socket with defer_connect
* Return EPOLLOUT so application can call write()
* in order for kernel to generate SYN+data
*/
mask |= EPOLLOUT | EPOLLWRNORM;
}
/* This barrier is coupled with smp_wmb() in tcp_reset() */
smp_rmb();
if (sk->sk_err || !skb_queue_empty_lockless(&sk->sk_error_queue))
mask |= EPOLLERR;
return mask;
}
EXPORT_SYMBOL(tcp_poll);
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5. 源码工作流程
图片来源:tcp + epoll 内核睡眠唤醒工作流程
6. 数据结构
6.1. eventpoll
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/*
* This structure is stored inside the "private_data" member of the file
* structure and represents the main data structure for the eventpoll
* interface.
*/
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;
/* Wait queue used by sys_epoll_wait() */
wait_queue_head_t wq;
/* Wait queue used by file->poll() */
wait_queue_head_t poll_wait;
/* List of ready file descriptors */
struct list_head rdllist;
/* Lock which protects rdllist and ovflist */
rwlock_t lock;
/* RB tree root used to store monitored fd structs */
struct rb_root_cached rbr;
/*
* This is a single linked list that chains all the "struct epitem" that
* happened while transferring ready events to userspace w/out
* holding ->lock.
*/
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 */
int visited;
struct list_head visited_list_link;
#ifdef CONFIG_NET_RX_BUSY_POLL
/* used to track busy poll napi_id */
unsigned int napi_id;
#endif
};
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成员 | 描述 |
mtx |
互斥变量,避免在遍历 epi 节点时(例如 ep_send_events),epi 被删除。 |
wq |
等待队列,当 epoll_wait 没发现就绪事件需要处理,添加等待事件,需要睡眠阻塞等待唤醒进程。 |
poll_wait |
等待队列,当epoll_ctl 监听的是另外一个 epoll fd 时使用。 |
rdllist |
就绪列表,产生了用户注册的 fd读写事件的 epi 链表。 |
ovflist |
单链表,当 rdllist 被锁定遍历,向用户空间发送数据时,rdllist 不允许被修改,新触发的就绪 epitem 被 ovflist 串联起来,等待 rdllist 被处理完了,重新将 ovflist 数据写入 rdllist。 详看 ep_scan_ready_list 逻辑。 |
user |
创建 eventpoll 的用户结构信息。 |
lock |
锁,保护 rdllist 和 ovflist 。 |
rbr |
红黑树根结点,管理 fd 结点。 |
file |
eventpoll 对应的文件结构,Linux 一切皆文件,用 vfs 管理数据。 |
napi_id |
应用于中断缓解技术。 |
6.2. epitem
fd 事件管理节点。可以添加到红黑树,也可以串联成就绪列表或其它列表。
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/*
* Each file descriptor added to the eventpoll interface will
* have an entry of this type linked to the "rbr" RB tree.
* Avoid increasing the size of this struct, there can be many thousands
* of these on a server and we do not want this to take another cache line.
*/
struct epitem {
union {
/* RB tree node links this structure to the eventpoll RB tree */
struct rb_node rbn;
/* Used to free the struct epitem */
struct rcu_head rcu;
};
/* List header used to link this structure to the eventpoll ready list */
struct list_head rdllink;
/*
* Works together "struct eventpoll"->ovflist in keeping the
* single linked chain of items.
*/
struct epitem *next;
/* The file descriptor information this item refers to */
struct epoll_filefd ffd;
/* Number of active wait queue attached to poll operations */
int nwait;
/* List containing poll wait queues */
struct list_head pwqlist;
/* The "container" of this item */
struct eventpoll *ep;
/* List header used to link this item to the "struct file" items list */
struct list_head fllink;
/* wakeup_source used when EPOLLWAKEUP is set */
struct wakeup_source __rcu *ws;
/* The structure that describe the interested events and the source fd */
struct epoll_event event;
};
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成员 | 描述 |
rbn |
连接红黑树结构节点。 |
rdllink |
就绪队列节点,用于将 epitem 串联成就绪队列列表。 |
next |
指向下一个单链表节点的指针。配合 eventpoll 的 ovflist 使用。 |
ffd |
记录节点对应的 fd 和 file 文件信息。 |
nwait |
等待队列个数。 |
pwqlist |
等待事件回调队列。当数据进入网卡,底层中断执行 ep_poll_callback。 |
ep |
eventpoll 指针,epitem 关联 eventpoll。 |
fllink |
epoll 文件链表结点,与 epoll 文件链表进行关联 file.f_ep_links。参考 fs.h, struct file 结构。 |
ws |
EPOLLWAKEUP 模式下使用。 |
event |
用户关注的事件。 |
6.3. epoll_filefd
fd 对应 file 文件结构,Linux 一切皆文件,采用了 vfs (虚拟文件系统)管理文件或设备。
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struct epoll_filefd {
struct file *file;
int fd;
} __packed;
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6.4. epoll_event
用户关注的 epoll 事件结构。
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struct epoll_event {
__poll_t events;
__u64 data;
} EPOLL_PACKED;
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6.5. poll_table_struct
就绪事件处理结构。
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/* poll.h
* Do not touch the structure directly, use the access functions
* poll_does_not_wait() and poll_requested_events() instead.
*/
typedef struct poll_table_struct {
poll_queue_proc _qproc;
__poll_t _key;
} poll_table;
/*
* structures and helpers for f_op->poll implementations
*/
typedef void (*poll_queue_proc)(struct file *, wait_queue_head_t *, struct poll_table_struct *);
|
成员 | 描述 |
_qproc |
处理函数,可以指向 ep_ptable_queue_proc 函数,或者空。 |
_key |
事件组合。 |
6.6. ep_pqueue
包装就绪事件处理结构,关联 epitem。
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/* Wrapper struct used by poll queueing */
struct ep_pqueue {
poll_table pt;
struct epitem *epi;
};
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成员 | 描述 |
pt |
就绪事件处理结构。 |
epi |
epitem 对应节点。 |
7. 关键函数
函数 | 描述 |
eventpoll_init |
初始化 epoll 模块。eventpoll 作为 Linux 内核的一部分,模块化管理。 |
do_epoll_create |
为 eventpoll 结构分配资源。 |
do_epoll_ctl |
epoll 管理 fd 事件接口。 |
do_epoll_wait |
有条件阻塞等待 fd 事件发生,返回对fd 和对应事件数据。 |
ep_item_poll |
获取 fd 就绪事件,并关联 fd 和事件触发回调函数 ep_poll_callback。 |
ep_poll_callback |
fd 事件回调函数。当底层收到数据,中断调用 fd 关联的 ep_poll_callback 回调函数,如果事件是用户关注的事件,会将 fd 对应的 epi 结点添加进就绪队列,然后唤醒阻塞等待的 epoll_wait 处理。 |
ep_send_events |
遍历就绪列表,拷贝内核空间就绪数据到用户空间。结合 ep_scan_ready_list 和 ep_send_events_proc 使用。 |
ep_scan_ready_list |
遍历就绪列表。当 fd 收到数据,回调 ep_poll_callback,如果事件是用户关注的,那么将 fd 对应的 epi 结点添加到就绪队列,ep_scan_ready_list 会遍历这个就绪列表,将数据从内核空间拷贝到用户空间,或者其它操作。 |
ep_send_events_proc |
内核将就绪列表数据,发送到用户空间。结合 ep_scan_ready_list 使用。LT/ET 模式在这个函数里实现。 |
ep_ptable_queue_proc |
添加 fd 的等待事件到等待队列,关联 fd 与回调函数 ep_poll_callback。 |
8. 核心源码
8.1. 初始化
添加 epoll 模块到内核,slab 算法为 epoll 分配资源。
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static int __init eventpoll_init(void) {
struct sysinfo si;
...
/* Allocates slab cache used to allocate "struct epitem" items */
epi_cache = kmem_cache_create("eventpoll_epi", sizeof(struct epitem),
0, SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC|SLAB_ACCOUNT, NULL);
/* Allocates slab cache used to allocate "struct eppoll_entry" */
pwq_cache = kmem_cache_create("eventpoll_pwq",
sizeof(struct eppoll_entry), 0, SLAB_PANIC|SLAB_ACCOUNT, NULL);
return 0;
}
fs_initcall(eventpoll_init);
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8.2. epoll_create
创建 eventpoll 对象,关联文件资源。
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static int do_epoll_create(int flags) {
int error, fd;
struct eventpoll *ep = NULL;
struct file *file;
...
// slab 算法为 eventpoll 结构分配内存,并初始化 eventpoll 成员数据。
error = ep_alloc(&ep);
if (error < 0)
return error;
// 分配一个空闲的文件描述符。
fd = get_unused_fd_flags(O_RDWR | (flags & O_CLOEXEC));
if (fd < 0) {
error = fd;
goto out_free_ep;
}
// slab 分配一个新的文件结构对象(struct file *)
file = anon_inode_getfile("[eventpoll]", &eventpoll_fops, ep,
O_RDWR | (flags & O_CLOEXEC));
if (IS_ERR(file)) {
error = PTR_ERR(file);
goto out_free_fd;
}
ep->file = file;
// fd 与 file* 结构进行绑定。
fd_install(fd, file);
return fd;
...
}
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8.3. epoll_ctl
fd 对应的事件管理(增删改)。
- 添加 fd 事件管理流程:fd 关联回调 ep_poll_callback。
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fd -> socket -> poll -> ep_ptable_queue_proc -> wait_queue -> ep_poll_callback
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driver -> ep_poll_callback -> waitup -> epoll_wait(wake up)
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SYSCALL_DEFINE4(epoll_ctl, int, epfd, int, op, int, fd,
struct epoll_event __user *, event) {
struct epoll_event epds;
// 为了 event 数据的安全性,将数据进行拷贝,再进行逻辑处理。
if (ep_op_has_event(op) &&
copy_from_user(&epds, event, sizeof(struct epoll_event)))
return -EFAULT;
return do_epoll_ctl(epfd, op, fd, &epds, false);
}
int do_epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *epds, bool nonblock) {
int error;
int full_check = 0;
struct fd f, tf;
struct eventpoll *ep;
struct epitem *epi;
struct eventpoll *tep = NULL;
...
// 检查参数合法性。
...
// 在 do_epoll_create 实现里 anon_inode_getfile 将 private_data 与 eventpoll 关联。
ep = f.file->private_data;
...
// 红黑树检查 fd 是否已经被添加。
epi = ep_find(ep, tf.file, fd);
error = -EINVAL;
switch (op) {
case EPOLL_CTL_ADD:
if (!epi) {
/* epoll 如果没有添加过该 fd,就添加到红黑树进行管理。
* 事件默认关注异常处理(EPOLLERR | EPOLLHUP)。*/
epds->events |= EPOLLERR | EPOLLHUP;
error = ep_insert(ep, epds, tf.file, fd, full_check);
} else
error = -EEXIST;
if (full_check)
clear_tfile_check_list();
break;
case EPOLL_CTL_DEL:
if (epi)
error = ep_remove(ep, epi);
else
error = -ENOENT;
break;
case EPOLL_CTL_MOD:
if (epi) {
if (!(epi->event.events & EPOLLEXCLUSIVE)) {
epds->events |= EPOLLERR | EPOLLHUP;
error = ep_modify(ep, epi, epds);
}
} else
error = -ENOENT;
break;
}
...
return error;
}
static int ep_insert(struct eventpoll *ep, const struct epoll_event *event,
struct file *tfile, int fd, int full_check) {
// epoll 管理 fd 和对应事件节点 epitem 数据结构。
struct epitem *epi;
struct ep_pqueue epq;
...
epq.epi = epi;
// 初始化就绪事件处理函数调用。poll() 接口调用 ep_ptable_queue_proc。
init_poll_funcptr(&epq.pt, ep_ptable_queue_proc);
// 添加等待队列,如果 fd 有用户关注的事件发生,返回对应 fd 关注的事件 revents。
revents = ep_item_poll(epi, &epq.pt, 1);
...
// 将当前节点,添加到 epoll 文件钩子,将 epoll 文件与 fd 对应文件串联起来。
list_add_tail_rcu(&epi->fllink, &tfile->f_ep_links);
// 将节点添加进二叉树
ep_rbtree_insert(ep, epi);
// 如果有关注的事件发生,将节点关联到就绪事件列表。
if (revents && !ep_is_linked(epi)) {
list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist);
ep_pm_stay_awake(epi);
/* 如果进程正在睡眠等待,唤醒它去处理就绪事件。睡眠事件 ep->wq 在 epoll_wait 中添加*/
if (waitqueue_active(&ep->wq))
// 唤醒进程
wake_up(&ep->wq);
// 如果监控的是另外一个 epoll_create 的 fd,有就绪事件,也唤醒进程。
if (waitqueue_active(&ep->poll_wait))
pwake++;
}
...
if (pwake)
ep_poll_safewake(&ep->poll_wait);
return 0;
}
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8.4. ep_item_poll
fd 节点就绪事件处理。
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static __poll_t ep_item_poll(const struct epitem *epi, poll_table *pt, int depth) {
struct eventpoll *ep;
bool locked;
pt->_key = epi->event.events;
if (!is_file_epoll(epi->ffd.file)) {
// 非 epoll fd,tcp_poll 检查 socket 就绪事件,fd 关联回调函数 ep_poll_callback。
return vfs_poll(epi->ffd.file, pt) & epi->event.events;
} else {
// epoll 嵌套。epoll_ctl 添加关注了另外一个 epoll 的 fd(epfd)。
ep = epi->ffd.file->private_data;
poll_wait(epi->ffd.file, &ep->poll_wait, pt);
locked = pt && (pt->_qproc == ep_ptable_queue_proc);
return ep_scan_ready_list(epi->ffd.file->private_data,
ep_read_events_proc, &depth, depth, locked) &
epi->event.events;
}
}
// vfs - Virtual Filesystem Switch(Linux 虚拟文件系统)
// poll.h 就绪事件处理函数。
static inline __poll_t vfs_poll(struct file *file, struct poll_table_struct *pt) {
if (unlikely(!file->f_op->poll))
return DEFAULT_POLLMASK;
// 这里的 poll 函数指针指向 tcp_poll 函数。
return file->f_op->poll(file, pt);
}
// tcp.c
// tcp 就绪事件获取函数。
__poll_t tcp_poll(struct file *file, struct socket *sock, poll_table *wait) {
__poll_t mask;
struct sock *sk = sock->sk;
const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
int state;
/* 添加等待队列和关联事件回调函数 ep_poll_callback
*(只有 epoll_ctl EPOLL_CTL_ADD 的情况下,才会添加等待事件,否则 wait == NULL)*/
sock_poll_wait(file, sock, wait);
// 检查 fd 是否有事件发生。
state = inet_sk_state_load(sk);
if (state == TCP_LISTEN)
return inet_csk_listen_poll(sk);
...
}
// socket.h
static inline void sock_poll_wait(struct file *filp, struct socket *sock, poll_table *p) {
// ep_insert 调用 ep_item_poll 才会插入等待事件。
if (!poll_does_not_wait(p)) {
poll_wait(filp, &sock->wq.wait, p);
...
}
}
// poll.h
static inline void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p) {
if (p && p->_qproc && wait_address)
// _qproc ---> ep_ptable_queue_proc
p->_qproc(filp, wait_address, p);
}
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8.5. ep_ptable_queue_proc
socket 的等待队列关联回调函数 ep_poll_callback
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static void ep_ptable_queue_proc(struct file *file, wait_queue_head_t *whead, poll_table *pt) {
struct epitem *epi = ep_item_from_epqueue(pt);
struct eppoll_entry *pwq;
if (epi->nwait >= 0 && (pwq = kmem_cache_alloc(pwq_cache, GFP_KERNEL))) {
// 关联等待队列和ep_poll_callback。
init_waitqueue_func_entry(&pwq->wait, ep_poll_callback);
// whead ---> socket->wq.wait
pwq->whead = whead;
pwq->base = epi;
/* 等待事件,添加到等待队列。EPOLLEXCLUSIVE 为了解决 epoll_wait 惊群问题。
* 如果多线程同时调用 epoll_wait,那么 fd 应该设置 EPOLLEXCLUSIVE 事件。 */
if (epi->event.events & EPOLLEXCLUSIVE) {
add_wait_queue_exclusive(whead, &pwq->wait);
} else {
add_wait_queue(whead, &pwq->wait);
}
/* 等待事件,关联 epitem。epitem 为什么要有一个等待队列呢,
* 因为有可能一个进程里存在多个 epoll 实例同时 epoll_ctl 关注一个 fd。*/
list_add_tail(&pwq->llink, &epi->pwqlist);
epi->nwait++;
} else {
/* We have to signal that an error occurred */
epi->nwait = -1;
}
}
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8.6. epoll_wait
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SYSCALL_DEFINE4(epoll_wait, int, epfd, struct epoll_event __user *, events,
int, maxevents, int, timeout) {
return do_epoll_wait(epfd, events, maxevents, timeout);
}
static int do_epoll_wait(int epfd, struct epoll_event __user *events,
int maxevents, int timeout) {
...
// timeout 阻塞等待处理并返回就绪事件。
error = ep_poll(ep, events, maxevents, timeout);
...
}
static int ep_poll(struct eventpoll *ep, struct epoll_event __user *events,
int maxevents, long timeout) {
int res = 0, eavail, timed_out = 0;
u64 slack = 0;
bool waiter = false;
wait_queue_entry_t wait;
ktime_t expires, *to = NULL;
// 计算 timeout 睡眠时间。如果有就绪事件,处理并发送到用户空间。
...
fetch_events:
if (!ep_events_available(ep))
// napi 中断缓解技术,避免网卡频繁中断 cpu,提高数据获取的效率。这里为了积攒网络数据进行返回。
ep_busy_loop(ep, timed_out);
// 检查就绪队列是否有数据。
eavail = ep_events_available(ep);
if (eavail)
// 如果有就绪事件了,就直接不用睡眠等待了,进入发送环节。
goto send_events;
...
// 没有就绪事件发生,需要睡眠等待。
if (!waiter) {
waiter = true;
// 等待事件,关联当前进程。
init_waitqueue_entry(&wait, current);
spin_lock_irq(&ep->wq.lock);
// 添加等待事件。(为了解决惊群效应,所以等待事件添加了 WQ_FLAG_EXCLUSIVE 标识。查看 __wake_up_common 实现。)
__add_wait_queue_exclusive(&ep->wq, &wait);
spin_unlock_irq(&ep->wq.lock);
}
for (;;) {
/*
* We don't want to sleep if the ep_poll_callback() sends us
* a wakeup in between. That's why we set the task state
* to TASK_INTERRUPTIBLE before doing the checks.
*/
// 设置当前进程状态为等待状态,可以被信号解除等待。
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
/*
* Always short-circuit for fatal signals to allow
* threads to make a timely exit without the chance of
* finding more events available and fetching
* repeatedly.
*/
// 信号中断,不要执行睡眠了。
if (fatal_signal_pending(current)) {
res = -EINTR;
break;
}
// 检查就绪队列。
eavail = ep_events_available(ep);
if (eavail)
break;
// 信号中断,不要执行睡眠了。
if (signal_pending(current)) {
res = -EINTR;
break;
}
// 进程进入睡眠状态。
if (!schedule_hrtimeout_range(to, slack, HRTIMER_MODE_ABS)) {
timed_out = 1;
break;
}
}
// 进程等待超时,或者被唤醒,设置进程进入运行状态,等待内核调度运行。
__set_current_state(TASK_RUNNING);
send_events:
/*
* Try to transfer events to user space. In case we get 0 events and
* there's still timeout left over, we go trying again in search of
* more luck.
*/
// 有就绪事件就发送到用户空间,否则继续获取数据直到超时。
if (!res && eavail && !(res = ep_send_events(ep, events, maxevents)) &&
!timed_out)
goto fetch_events;
// 从等待队列中,删除等待事件。
if (waiter) {
spin_lock_irq(&ep->wq.lock);
__remove_wait_queue(&ep->wq, &wait);
spin_unlock_irq(&ep->wq.lock);
}
return res;
}
/* Used by the ep_send_events() function as callback private data */
struct ep_send_events_data {
int maxevents;
struct epoll_event __user *events;
int res;
};
static int ep_send_events(struct eventpoll *ep,
struct epoll_event __user *events, int maxevents) {
struct ep_send_events_data esed;
esed.maxevents = maxevents;
esed.events = events;
// 遍历事件就绪列表,发送就绪事件到用户空间。
ep_scan_ready_list(ep, ep_send_events_proc, &esed, 0, false);
return esed.res;
}
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8.7. ep_scan_ready_list
遍历就绪列表,处理 sproc 函数。这里 sproc 函数指针的使用,是为了减少代码冗余,将 ep_scan_ready_list 做成一个通用的函数。
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static __poll_t ep_scan_ready_list(struct eventpoll *ep,
__poll_t (*sproc)(struct eventpoll *,
struct list_head *, void *),
void *priv, int depth, bool ep_locked) {
__poll_t res;
struct epitem *epi, *nepi;
LIST_HEAD(txlist);
...
// 将就绪队列分片链接到 txlist 链表中。
list_splice_init(&ep->rdllist, &txlist);
res = (*sproc)(ep, &txlist, priv);
...
// 在处理 sproc 回调处理过程中,可能产生新的就绪事件被写入 ovflist,将 ovflist 回写 rdllist。
for (nepi = READ_ONCE(ep->ovflist); (epi = nepi) != NULL;
nepi = epi->next, epi->next = EP_UNACTIVE_PTR) {
if (!ep_is_linked(epi)) {
list_add(&epi->rdllink, &ep->rdllist);
ep_pm_stay_awake(epi);
}
}
...
// txlist 在 epitem 回调中,可能没有完全处理完,那么重新放回到 rdllist,下次处理。
list_splice(&txlist, &ep->rdllist);
...
}
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8.8. ep_send_events_proc
处理就绪列表,将数据从内核空间拷贝到用户空间。
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static __poll_t ep_send_events_proc(struct eventpoll *ep, struct list_head *head, void *priv) {
struct ep_send_events_data *esed = priv;
__poll_t revents;
struct epitem *epi, *tmp;
struct epoll_event __user *uevent = esed->events;
struct wakeup_source *ws;
poll_table pt;
init_poll_funcptr(&pt, NULL);
...
// 遍历处理 txlist(原 ep->rdllist 数据)就绪队列结点,获取事件拷贝到用户空间。
list_for_each_entry_safe (epi, tmp, head, rdllink) {
if (esed->res >= esed->maxevents)
break;
...
// 先从就绪队列中删除 epi,如果是 LT 模式,就绪事件还没处理完,再把它添加回去。
list_del_init(&epi->rdllink);
// 获取 epi 对应 fd 的就绪事件。
revents = ep_item_poll(epi, &pt, 1);
if (!revents)
// 如果没有就绪事件就返回(这时候,epi 已经从就绪列表中删除了。)
continue;
// 内核空间向用户空间传递数据。__put_user 成功拷贝返回 0。
if (__put_user(revents, &uevent->events) ||
__put_user(epi->event.data, &uevent->data)) {
// 如果拷贝失败,继续保存在就绪列表里。
list_add(&epi->rdllink, head);
ep_pm_stay_awake(epi);
if (!esed->res)
esed->res = -EFAULT;
return 0;
}
// 成功处理就绪事件的 fd 个数。
esed->res++;
uevent++;
if (epi->event.events & EPOLLONESHOT)
// #define EP_PRIVATE_BITS (EPOLLWAKEUP | EPOLLONESHOT | EPOLLET | EPOLLEXCLUSIVE)
epi->event.events &= EP_PRIVATE_BITS;
else if (!(epi->event.events & EPOLLET)) {
/*
* If this file has been added with Level
* Trigger mode, we need to insert back inside
* the ready list, so that the next call to
* epoll_wait() will check again the events
* availability. At this point, no one can insert
* into ep->rdllist besides us. The epoll_ctl()
* callers are locked out by
* ep_scan_ready_list() holding "mtx" and the
* poll callback will queue them in ep->ovflist.
*/
/* lt 模式下,当前事件被处理完后,不会从就绪列表中删除,留待下一次 epoll_wait
* 调用,再查看是否还有事件没处理,如果没有事件了就从就绪列表中删除。
* 在遍历事件的过程中,不能写 ep->rdllist,因为已经上锁,只能把新的就绪信息
* 添加到 ep->ovflist */
list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist);
ep_pm_stay_awake(epi);
}
}
return 0;
}
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8.9. ep_poll_callback
fd 事件回调。当 fd 有网络事件发生,就会通过等待队列,进行回调。参考 __wake_up_common,如果事件是用户关注的事件,回调会唤醒进程进行处理。
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static int ep_poll_callback(wait_queue_entry_t *wait, unsigned mode, int sync, void *key) {
int pwake = 0;
struct epitem *epi = ep_item_from_wait(wait);
struct eventpoll *ep = epi->ep;
__poll_t pollflags = key_to_poll(key);
unsigned long flags;
int ewake = 0;
// 禁止本地中断并获得指定读锁。
read_lock_irqsave(&ep->lock, flags);
ep_set_busy_poll_napi_id(epi);
// #define EP_PRIVATE_BITS (EPOLLWAKEUP | EPOLLONESHOT | EPOLLET | EPOLLEXCLUSIVE)
// 如果 fd 没有关注除了 EP_PRIVATE_BITS 之外的事件,那么走解锁流程。
if (!(epi->event.events & ~EP_PRIVATE_BITS))
goto out_unlock;
// 如果回调的事件,不是用户关注的 fd 事件,那么走解锁流程。
if (pollflags && !(pollflags & epi->event.events))
goto out_unlock;
/*
* If we are transferring events to userspace, we can hold no locks
* (because we're accessing user memory, and because of linux f_op->poll()
* semantics). All the events that happen during that period of time are
* chained in ep->ovflist and requeued later on.
*/
// 当内核空间向用户空间拷贝数据时,不添加 epi 到 rdllist,将它添加到 ovflist。
if (READ_ONCE(ep->ovflist) != EP_UNACTIVE_PTR) {
if (epi->next == EP_UNACTIVE_PTR && chain_epi_lockless(epi))
ep_pm_stay_awake_rcu(epi);
goto out_unlock;
}
// epi 已经加入就绪链表就不需要添加了。
if (!ep_is_linked(epi) &&
list_add_tail_lockless(&epi->rdllink, &ep->rdllist)) {
ep_pm_stay_awake_rcu(epi);
}
// 当回调事件是用户关注的事件,那么需要唤醒进程处理。
// ep->wq 在 epoll_wait 时添加,当没有就绪事件,epoll_wait 进行睡眠等待唤醒。
if (waitqueue_active(&ep->wq)) {
if ((epi->event.events & EPOLLEXCLUSIVE) &&
!(pollflags & POLLFREE)) {
// #define EPOLLINOUT_BITS (EPOLLIN | EPOLLOUT)
switch (pollflags & EPOLLINOUT_BITS) {
case EPOLLIN:
if (epi->event.events & EPOLLIN)
ewake = 1;
break;
case EPOLLOUT:
if (epi->event.events & EPOLLOUT)
ewake = 1;
break;
case 0:
ewake = 1;
break;
}
}
wake_up(&ep->wq);
}
// ep->poll_wait 是 epoll 监控另外一个 epoll fd 的等待队列。如果触发事件,也需要唤醒进程处理。
if (waitqueue_active(&ep->poll_wait))
pwake++;
out_unlock:
read_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags);
/* We have to call this outside the lock */
if (pwake)
ep_poll_safewake(&ep->poll_wait);
if (!(epi->event.events & EPOLLEXCLUSIVE))
ewake = 1;
if (pollflags & POLLFREE) {
/*
* If we race with ep_remove_wait_queue() it can miss
* ->whead = NULL and do another remove_wait_queue() after
* us, so we can't use __remove_wait_queue().
*/
list_del_init(&wait->entry);
/*
* ->whead != NULL protects us from the race with ep_free()
* or ep_remove(), ep_remove_wait_queue() takes whead->lock
* held by the caller. Once we nullify it, nothing protects
* ep/epi or even wait.
*/
smp_store_release(&ep_pwq_from_wait(wait)->whead, NULL);
}
return ewake;
}
|
9. 参考