利用epoll写一个“迷你”的网络事件库

  epoll是Linux下高性能的IO复用技术,是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本,它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。另一点原因就是获取事件的时候,它无须遍历整个被侦听的描述符集,只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符集合就行了。epoll除了提供select/poll那种IO事件的水平触发(Level Triggered)外,还提供了边缘触发(Edge Triggered),这就使得用户空间程序有可能缓存IO状态,减少epoll_wait/epoll_pwait的调用,提高应用程序效率。

  为什么会出现IO复用技术呢,比如在Web应用中,大量的请求连接事件,如果采用多进程方式处理,也就是一个连接对应一个fork来处理,这样开销太大了,毕竟创建进程还是很耗资源的;如果采用多线程方式处理,也就是一个连接对应一个线程来处理,当请求并发量上去的话,系统中就会充斥着很多处理线程,毕竟一个系统创建线程是有一定上限的。这时,就需要我们的IO复用技术了。常见的网络模型中,有多进程+IO复用编程模型,也有多线程+IO复用编程模型,比如大名鼎鼎的nginx默认采用的就是多进程+IO复用技术来处理网络请求的;开源网络库libevent也是基于IO复用技术来完成网络数据处理的。

epoll系列函数

  epoll是Linux特有的IO复用函数,它在实现和使用上与select和poll有很大差异,首先,epoll使用一组函数来完成操作,而不是单个函数。其次,epoll把用户关心的文件描述符上的事件放在内核上的一个事件表中,从而无须像select和poll那样每次调用都要重复传入文件描述符集合事件表。但epoll需要使用一个额外的文件描述符,来唯一标识内核中这个事件表,这个文件描述符使用如下epoll_create函数创建:

#include <sys/epoll.h> int epoll_create(int size); // 返回:成功返回创建的内核事件表对应的描述符,出错-1

  size参数现在并不起作用,只是给内核一个提示,告诉它内核表需要多大,该函数返回的文件描述符将用作其他所有epoll函数的第一个参数,以指定要访问的内核事件表。用epoll_ctl函数操作内核事件表

#include <sys/epoll.h> int epoll_ctl(int opfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); // 返回:成功返回创建的内核事件表对应的描述符,出错-1

  fd参数是要操作的文件描述符,op指定操作类型,操作类型有3种

EPOLL_CTL_ADD:往事件表中注册fd上的事件

EPOLL_CTL_MOD:修改fd上的注册事件

EPOLL_CTL_DEL:删除fd上的注册事件

  event指定事件类型,它是epoll_event结构指针类型:

struct epoll_event { __uint32_t events; /* epoll事件 */ epoll_data_t data; /* 用户数据 */ };

  其中events描述事件类型,epoll支持的事件类型和poll基本相同,表示epoll事件类型的宏是在poll对应的宏加上”E”,比如epoll的数据可读事件是EPOLLIN,但epoll有两个额外的事件类型-EPOLLET和EPOLLONESHOT,它们对于高效运作非常关键,data用于存储用户数据,其类型epoll_data_t定义如下:

typedef union epoll_data { void *ptr; int fd; uint32_t u32; uint64_t u64; }epoll_data_t;

  epoll_data_t是一个联合体,其4个成员最多使用的是fd,它指定事件所从属的目标文件描述符,ptr成员可用来指定fd相关的用户数据,但由于opoll_data_t是一个联合体,我们不能同时使用fd和ptr,如果要将文件描述符嗯哼用户数据关联起来,以实现快速的数据访问,则只能使用其他手段,比如放弃使用fd成员,而在ptr指针指向的用户数据中包含fd。

#include <sys/epoll.h> int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout); // 返回:成功返回就绪的文件描述符个数,出错-1

  timeout参数的含义与poll接口的timeout参数相同,maxevents参数指定最多监听多少个事件,它必须大于0。

  epoll_wait如果检测到事件,就将所有就绪的事件从内核事件表(由epfd指定)中复制到events指定的数组中,这个数组只用来输epoll_wait检测到的就绪事件,而不像select和poll的参数数组既传递用于用户注册的事件,有用于输出内核检测到就绪事件,这样极大提高了应用程序索引就绪文件描述符的效率。

利用epoll写一个“迷你”的网络事件库

epoll原理与实现

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