select poll epoll Linux高並發網絡編程模型

0 發展歷程

　　同步阻塞迭代模型-->多進程並發模型-->多線程並發模型-->select-->poll-->epoll-->...

1 同步阻塞迭代模型

bind(srvfd);
listen(srvfd);
for(;;)
{
    clifd = accept(srvfd,...); //開始接受客戶端來的連接
    read(clifd,buf,...);       //從客戶端讀取數據
    dosomthingonbuf(buf);
    write(clifd,buf)；          //發送數據到客戶端
}　　

缺點：

　　1.如果沒有客戶端的連接請求，進程會阻塞在accept系統調用處，程序不能執行其他任何操作。系統調用使得程序從用戶態陷入內核態 -- 程序員的自我修養 

　　2.在與客戶端建立好一條鏈路后，通過read系統調用從客戶端接受數據，而客戶端合適發送數據過來是不可控的。如果客戶端遲遲不發生數據過來，則程序同樣會阻塞在read調用，此時，如果另外的客戶端來嘗試連接時，都會失敗。

　　3.同樣，write系統調用也會使得程序出現阻塞(例如：客戶端接受數據異常緩慢，導致寫緩沖區滿，數據遲遲發送不出)。

2 多進程並發模型

bind(srvfd);
listen(srvfd);
for(;;){
clifd = accept(srvfd,...);      //開始接受客戶端來的連接
ret = fork();　　　　　　　　　　  //創建子進程
switch( ret )
{
    case -1 :
        do_err_handler();
        break;
    case 0: 　　　　　　　　　　　　// 子進程
        client_handler(clifd);
        break ;
    default : 　　　　　　　　　　　// 父進程
        close(clifd);
        continue ;
}
}
void client_handler(clifd)
{
    read(clifd,buf,...); 　　　　//從客戶端讀取數據
    dosomthingonbuf(buf);
    write(clifd,buf)；　　　　　　//發送數據到客戶端
}

優點：通過多進程，解決了同步阻塞問題。

缺點：每一個客戶端連接開啟fork一個進程，即使linux中引入了寫實拷貝機制，降低了fork一個子進程的消耗，但若客戶端連接較大，則系統依然將不堪負重。　　

3 多線程並發模型

void *thread_callback( void *args )　　　　　　　　//線程回調函數
{
    int clifd = *(int *)args ;
    client_handler(clifd);
}

void client_handler(clifd)
{
    read(clifd,buf,...);　　　　　　　　　　　　　　//從客戶端讀取數據
    dosomthingonbuf(buf);
    write(clifd,buf);　　　　　　　　　　　　　　　　//發送數據到客戶端
}

bind(srvfd);
listen(srvfd);
for(;;)
{
    clifd = accept();
    pthread_create(...,thread_callback,&clifd);//創建新線程並綁定回調函數、文件描述符
}

多線程的實現方式：

（1）按需生成(來一個連接生成一個線程) 
（2）線程池(預先生成很多線程) 
（3）Leader follower（LF）

服務端分為主線程和工作線程，主線程負責accept()連接，而工作線程負責處理業務邏輯和流的讀取等。 
因此，即使在工作線程阻塞的情況下，也只是阻塞在線程范圍內，對繼續接受新的客戶端連接不會有影響。 
通過線程池的引入可以避免頻繁的創建、銷毀線程，能在很大程序上提升性能。 
但不管如何實現，多線程模型先天具有缺點。

缺點： 
　　1.穩定性相對較差。一個線程的崩潰會導致整個程序崩潰。 
　　2.臨界資源的訪問控制，在加大程序復雜性的同時，鎖機制的引入會是嚴重降低程序的性能、死鎖等情況。　　

4 select

bind(listenfd);
listen(listenfd);
FD_ZERO(&allset);　　　　　　　　　 /*初始清空、並添加綁定文件描述符*/
FD_SET(listenfd, &allset);
for(;;)
{
    select(...);
    if (FD_ISSET(listenfd, &rset)) 
    {　　　　　　　　　　　　　　　　　/*有新的客戶端連接到來*/
        clifd = accept();
        cliarray[] = clifd;　　　 /*保存新的連接套接字*/
        FD_SET(clifd, &allset);  /*將新的描述符加入監聽數組中*/
    }

    for(;;)
    {　　　　　　　　　　　　　　　　 /*這個循環檢查所有已經連接的客戶端是否有數據可讀寫*/

        fd = cliarray[i];
        if (FD_ISSET(fd , &rset))
            dosomething();
    }
}

 

對於多進程模型和多線程模型，每個進程/線程只能處理一路IO，在服務器並發數較高的情況下，過多的進程/線程會使得服務器性能下降。

通過多路IO復用，能使得一個進程同時處理多路IO，提升服務器吞吐量。

在Linux支持epoll模型之前，都使用select/poll模型來實現IO多路復用。

select IO多路復用的缺點：

　　1.單進程能夠監視的文件描述符數量存在最大限制( __FD_SETSIZE 1024)，可以更改數量，因select采用輪詢的方式掃描文件描述符，文件描述符數量越多，性能越差；
　　2.內核態 / 用戶態內存拷貝問題，select需要復制大量的句柄數據結構，產生巨大的開銷； 
　　3.select返回整個句柄數組，應用程序需遍歷才能發現哪些句柄發生了事件； 
　　4.select水平觸發方式是，應用程序如果沒有完成對一個已經就緒文件描述符進行IO操作，那么之后每次select調用還是會將這些文件描述符通知進程，即重復。

假設我們的服務器需要支持100萬的並發連接，則在__FD_SETSIZE 為1024的情況下，則我們至少需要開辟1k個進程才能實現100萬的並發連接。除了進程間上下文切換的時間消耗外，從內核/用戶空間大量的無腦內存拷貝、數組輪詢等，是系統難以承受的。因此，基於select模型的服務器程序，要達到10萬級別的並發訪問，是一個很難完成的任務。

5 poll

相比select模型，poll使用鏈表保存文件描述符，因此沒有了監視文件數量的限制，但其它selec的t缺點依然存在。

6 epoll

epoll，select/poll調用分成3個部分去實現：

　　1.調用epoll_create()建立一個epoll對象(在epoll文件系統中為這個句柄對象分配資源)

　　2.調用epoll_ctl向epoll對象中添加連接的套接字

　　3.調用epoll_wait收集發生的所監聽事件的連接

因此，在進程啟動時建立一個epoll對象，然后在需要的時候向這個epoll對象中添加或者刪除連接。同時，epoll_wait的效率也非常高，因為調用epoll_wait時，並沒有一股腦的向操作系統復制全部連接的句柄數據，內核也不需要去遍歷全部的連接。

Linux內核針對3部分具體的epoll機制實現思路：

　　首先，進程調用epoll_create方法時，Linux內核會創建一個eventpoll結構體，這個結構體中有兩個成員與epoll的使用方式密切相關。eventpoll結構體如下:

struct eventpoll{
    ....
    /*紅黑樹的根節點，這顆樹中存儲着所有添加到epoll中的需要監控的事件*/
    struct rb_root  rbr;
    /*雙鏈表中則存放着將要通過epoll_wait返回給用戶的滿足條件的事件*/
    struct list_head rdlist;
    ....
};

　　每一個epoll對象都有一個獨立的eventpoll結構體，用於存放通過epoll_ctl方法向epoll對象中添加進來的事件。這些事件都會掛載在紅黑樹中，如此，重復添加的事件就可以通過紅黑樹而高效的識別出來(紅黑樹的插入時間效率是lgn，其中n為樹的高度)。

而所有添加到epoll中的事件都會與設備(網卡)驅動程序建立回調關系，也就是說，當相應的事件發生時會調用這個回調方法。這個回調方法在內核中叫ep_poll_callback,它會將發生的事件添加到rdlist雙鏈表中。

　　在epoll中，對於每一個事件，都會建立一個epitem結構體，如下：

struct epitem{
    struct rb_node　　rbn;　　　　　 //紅黑樹節點
    struct list_head　　rdllink;　　//雙向鏈表節點
    struct epoll_filefd  ffd;　　　 //事件句柄信息
    struct eventpoll *ep;    　　　//指向其所屬的eventpoll對象
    struct epoll_event event; 　　　//期待發生的事件類型
}

　　當調用epoll_wait檢查是否有事件發生時，只需要檢查eventpoll對象中的rdlist雙鏈表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不為空，則把發生的事件復制到用戶態，同時將事件數量返回給用戶。

　　通過紅黑樹和雙鏈表數據結構，並結合回調機制，造就了epoll的高效。

　　總結來說：epoll三步曲。

　　　　第一步：epoll_create()系統調用。此調用返回一個句柄，之后所有的使用都依靠這個句柄來標識。

　　　　第二步：epoll_ctl()系統調用。通過此調用向epoll對象中添加、刪除、修改感興趣的事件，返回0標識成功，返回-1表示失敗。

　　　　第三部：epoll_wait()系統調用。通過此調用收集收集在epoll監控中已經發生的事件。

epoll編程實例

//   
// a simple echo server using epoll in linux  
//   
// 2009-11-05  
// 2013-03-22:修改了幾個問題，1是/n格式問題，2是去掉了原代碼不小心加上的ET模式;
// 本來只是簡單的示意程序，決定還是加上 recv/send時的buffer偏移
// by sparkling  
//   
#include <sys/socket.h>  
#include <sys/epoll.h>  
#include <netinet/in.h>  
#include <arpa/inet.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <unistd.h>  
#include <stdio.h>  
#include <errno.h>  
#include <iostream>  
using namespace std;  
#define MAX_EVENTS 500  
struct myevent_s  
{  
    int fd;  
    void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);  
    int events;  
    void *arg;  
    int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in  
    char buff[128]; // recv data buffer  
    int len, s_offset;  
    long last_active; // last active time  
};  
// set event  
void EventSet(myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void*), void *arg)  
{  
    ev->fd = fd;  
    ev->call_back = call_back;  
    ev->events = 0;  
    ev->arg = arg;  
    ev->status = 0;
    bzero(ev->buff, sizeof(ev->buff));
    ev->s_offset = 0;  
    ev->len = 0;
    ev->last_active = time(NULL);  
}  
// add/mod an event to epoll  
void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev)  
{  
    struct epoll_event epv = {0, {0}};  
    int op;  
    epv.data.ptr = ev;  
    epv.events = ev->events = events;  
    if(ev->status == 1){  
        op = EPOLL_CTL_MOD;  
    }  
    else{  
        op = EPOLL_CTL_ADD;  
        ev->status = 1;  
    }  
    if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0)  
        printf("Event Add failed[fd=%d], evnets[%d]\n", ev->fd, events);  
    else  
        printf("Event Add OK[fd=%d], op=%d, evnets[%0X]\n", ev->fd, op, events);  
}  
// delete an event from epoll  
void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev)  
{  
    struct epoll_event epv = {0, {0}};  
    if(ev->status != 1) return;  
    epv.data.ptr = ev;  
    ev->status = 0;
    epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);  
}  
int g_epollFd;  
myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd  
void RecvData(int fd, int events, void *arg);  
void SendData(int fd, int events, void *arg);  
// accept new connections from clients  
void AcceptConn(int fd, int events, void *arg)  
{  
    struct sockaddr_in sin;  
    socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);  
    int nfd, i;  
    // accept  
    if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1)  
    {  
        if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)  
        {  
        }
        printf("%s: accept, %d", __func__, errno);  
        return;  
    }  
    do  
    {  
        for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)  
        {  
            if(g_Events[i].status == 0)  
            {  
                break;  
            }  
        }  
        if(i == MAX_EVENTS)  
        {  
            printf("%s:max connection limit[%d].", __func__, MAX_EVENTS);  
            break;  
        }  
        // set nonblocking
        int iret = 0;
        if((iret = fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0)
        {
            printf("%s: fcntl nonblocking failed:%d", __func__, iret);
            break;
        }
        // add a read event for receive data  
        EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]);  
        EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, &g_Events[i]);  
    }while(0);  
    printf("new conn[%s:%d][time:%d], pos[%d]\n", inet_ntoa(sin.sin_addr),
            ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active, i);  
}  
// receive data  
void RecvData(int fd, int events, void *arg)  
{  
    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;  
    int len;  
    // receive data
    len = recv(fd, ev->buff+ev->len, sizeof(ev->buff)-1-ev->len, 0);    
    EventDel(g_epollFd, ev);
    if(len > 0)
    {
        ev->len += len;
        ev->buff[len] = '\0';  
        printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buff);  
        // change to send event  
        EventSet(ev, fd, SendData, ev);  
        EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT, ev);  
    }  
    else if(len == 0)  
    {  
        close(ev->fd);  
        printf("[fd=%d] pos[%d], closed gracefully.\n", fd, ev-g_Events);  
    }  
    else  
    {  
        close(ev->fd);  
        printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno));  
    }  
}  
// send data  
void SendData(int fd, int events, void *arg)  
{  
    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;  
    int len;  
    // send data  
    len = send(fd, ev->buff + ev->s_offset, ev->len - ev->s_offset, 0);
    if(len > 0)  
    {
        printf("send[fd=%d], [%d<->%d]%s\n", fd, len, ev->len, ev->buff);
        ev->s_offset += len;
        if(ev->s_offset == ev->len)
        {
            // change to receive event
            EventDel(g_epollFd, ev);  
            EventSet(ev, fd, RecvData, ev);  
            EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, ev);  
        }
    }  
    else  
    {  
        close(ev->fd);  
        EventDel(g_epollFd, ev);  
        printf("send[fd=%d] error[%d]\n", fd, errno);  
    }  
}  
void InitListenSocket(int epollFd, short port)  
{  
    int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
    fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking  
    printf("server listen fd=%d\n", listenFd);  
    EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVENTS]);  
    // add listen socket  
    EventAdd(epollFd, EPOLLIN, &g_Events[MAX_EVENTS]);  
    // bind & listen  
    sockaddr_in sin;  
    bzero(&sin, sizeof(sin));  
    sin.sin_family = AF_INET;  
    sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  
    sin.sin_port = htons(port);  
    bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin));  
    listen(listenFd, 5);  
}  
int main(int argc, char **argv)  
{  
    unsigned short port = 12345; // default port  
    if(argc == 2){  
        port = atoi(argv[1]);  
    }  
    // create epoll  
    g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS);  
    if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d\n", g_epollFd);  
    // create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking  
    InitListenSocket(g_epollFd, port);  
    // event loop  
    struct epoll_event events[MAX_EVENTS];  
    printf("server running:port[%d]\n", port);  
    int checkPos = 0;  
    while(1){  
        // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event  
        long now = time(NULL);  
        for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd  
        {  
            if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle  
            if(g_Events[checkPos].status != 1) continue;  
            long duration = now - g_Events[checkPos].last_active;  
            if(duration >= 60) // 60s timeout  
            {  
                close(g_Events[checkPos].fd);  
                printf("[fd=%d] timeout[%d--%d].\n", g_Events[checkPos].fd, g_Events[checkPos].last_active, now);  
                EventDel(g_epollFd, &g_Events[checkPos]);  
            }  
        }  
        // wait for events to happen  
        int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000);  
        if(fds < 0){  
            printf("epoll_wait error, exit\n");  
            break;  
        }  
        for(int i = 0; i < fds; i++){  
            myevent_s *ev = (struct myevent_s*)events[i].data.ptr;  
            if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN)) // read event  
            {  
                ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);  
            }  
            if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT)) // write event  
            {  
                ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);  
            }  
        }  
    }  
    // free resource  
    return 0;  
}  

　　

7 觸發方式

LT（Level_triggered 水平觸發 ）：是epoll缺省的工作方式，並且同時支持block和no-block socket.在這種做法中，內核告訴你一個文件描述符是否就緒了，然后你可以對這個就緒的fd進行IO操作。如果你不作任何操作，內核還是會繼續通知你的，直至變為未就緒狀態，也就是epoll_wait()會通知處理程序去讀寫。如果這次沒有把數據一次性全部讀寫完(如讀寫緩沖區太小)，那么下次調用 epoll_wait()時，它還會通知你在上次沒讀寫完的文件描述符上繼續讀寫所以，這種模式編程出錯誤可能性要小一點。傳統的select/poll都是只有這種觸發方式。 
ET （Edge_triggered邊緣觸發 ）：是高速工作方式，只支持no-block socket。在這種模式下，當描述符從未就緒變為就緒時，內核通過epoll_wait()通知處理程序去讀寫,如果這次沒有把數據全部讀寫完(如讀寫緩沖區太小)，那么下次調用epoll_wait()時，它不會通知你，然后它會假設你知道文件描述符已經就緒，並且不會再為那個文件描述符發送更多的就緒通知，也就是它只會通知你一次，直到該文件描述符上出現第二次可讀寫事件才會通知你。