怎么做到高性能网络IO？

news2024/11/17 9:59:00

为什么要做高性能网络IO。主要是解决c10，c10M问题

最开始的时候我们走的内核协议栈，走内核协议栈其实性能比较低，因为我们之前介绍的时候需要拷贝两次

但是我们采用用户态协议栈可以少拷贝一次，可以大大提高效率，

步骤：

1）客户端请求数据，先经过网卡，服务器需要从网卡copy数据到内核协议栈（tcp/bsd）。

2）再从内核协议栈copy数据到应用程序。

由此可见，客户端与应用程序之间的数据交互，多了两次数据拷贝的操作，在大量数据并发的情况下，必将会严重影响性能。

优化思路：可以跳过内核协议栈，去除拷贝操作，数据直接从网卡到应用程序，这种方式称为零拷贝。

但是我们这个在做完用户态协议栈在配合reactor的时候，会出现一个问题，是什么问题呢？

问题是：我们的epoll并不会通知这个事件

那么我们是怎么看待这个问题的呢，我们如果不了解epoll的原理和底层的话，我们一下也不知道为什么epoll不会通知，其实是因为epoll的通知是由内核通知的，但是我们旁路之后，不走内核协议栈，那么内核协议栈就不会通知数据了

图例：(我们是在内核里创建了红黑树和fd的一些结构体信息，然后提供系统调用给用户)

协议栈解析出有数据来，通知到epoll中。应用程序操作epoll

 所以我们在走用户态协议栈的时候，就不能用系统自带的epoll了，需要自己再用户态实现一个

 epoll，进行管理

我们怎么设计epoll呢，我们采用红黑树结构是最好的，排除掉哈希表，优先队列，链表

就是红黑树最好了，为什么，因为红黑树这个数据结构更适合增删改查，效率也高，并且有

带有二叉搜索树的性质，所以很好用

需要查找性能高的数据结构，可选的数据结构有

  • hash：fd 数量不确定，创建 hash 消耗大量的内存。若 fd 数量较少时，内存浪费多，性能低
  • b/b+ 树：查找性能低于红黑树，降低树高，用于磁盘 io
  • rbtree：查找性能高，效率稳定，这里选用红黑树

还有一点就是epoll 监听的是系统 fd。而在自定义用户态协议栈的过程中，我们定义的 fd 只是个 int 值，并不指向内核打开文件表中对应的 i-node 结点

epoll 通过 fd 检测协议栈中的 tcb 有无事件发生，并对这些 fd 进行管理。

 

自定义epoll 的主要结构体有

  • epitem：存储每个 io 对应的事件，每个注册到 epoll 池的 fd 对应1个 epitem

// 自定义的 epitem
struct epitem {
	RB_ENTRY(epitem) rbn;		// 红黑树的结点
	LIST_ENTRY(epitem) rdlink;	// 就绪队列，双向链表结点
	int rdy; 				   // 是否在就绪队列中
	
    int sockfd;				   // 事件对应的sockfd
	struct epoll_event event;	// 注册事件的类型 
};

eventpoll：用于管理1个 epoll 对象

// 自定义的 eventpoll
struct eventpoll {
	int fd;		    // epfd
	ep_rb_tree rbr;	// 红黑树的根结点
	int rbcnt;	    
	
	LIST_HEAD( ,epitem) rdlist;	// 就绪队列头结点
	int rdnum;					

	int waiting;	// epoll_wait判断是否正在等待

	pthread_mutex_t mtx; 	 //rbtree update
	pthread_spinlock_t lock; //rdlist update
	
	pthread_cond_t cond; 	//block for event，用于epoll_wait的超时等待
	pthread_mutex_t cdmtx; 	//mutex for cond
};

 红黑树和双向链表共用结点 epitem。 

双向链表采用的是就绪队列，在处理事件的时候，可以按先来先服务策略进行处理时间

2、epoll 锁机制

考虑两个公共资源：红黑树和就绪队列。

  • 红黑树：mutex，互斥锁
  • 就绪队列：spinlock，采用自旋锁，避免 SMP 体系下，多核竞争。

 我们的红黑树的删除和修改和插入都是采用互斥锁的，因为不用锁的的话会发生线程安全问题，比如我们将epoll交给多个线程管理，那么当事件就绪的时候就会有惊群效应，如果此时

不加锁的话，那么多个线程会同时去处理这个事件，那么就会出现线程安全问题

3、epoll 用户态接口

epoll 为用户态提供的接口有：epoll_create, epoll_ctl, eoll_wait

 

3.1、epoll_create 的实现

功能： 创建 eventpoll 结构体

int epoll_create(int size) {
	
	if (size <= 0) return -1;

	// 从位图中获取新的fd，fd从3开始依次递增	
	int epfd =get_fd_frombitmap();

	struct eventpoll *ep = (struct eventpoll*)rte_calloc("eventpoll",1, sizeof(struct eventpoll), 0);
	if (!ep) {
		// 创建失败，将fd从位图中删除
		set_fd_frombitmap(epfd);
		return -1;
	}

	// 初始化红黑树和就绪队列
	ep->rbcnt = 0;
	RB_INIT(&ep->rbr);
	LIST_INIT(&ep->rdlist);

	if (pthread_mutex_init(&ep->mtx, NULL)) {
		rte_free(ep);
		set_fd_frombitmap(epfd);
		return -2;
	}

	if (pthread_mutex_init(&ep->cdmtx, NULL)) {
		pthread_mutex_destroy(&ep->mtx);
		rte_free(ep);
		set_fd_frombitmap(epfd);
		return -2;
	}

	if (pthread_cond_init(&ep->cond, NULL)) {
		pthread_mutex_destroy(&ep->cdmtx);
		pthread_mutex_destroy(&ep->mtx);
		rte_free(ep);
		set_fd_frombitmap(epfd);
		return -2;
	}

	if (pthread_spin_init(&ep->lock, PTHREAD_PROCESS_SHARED)) {
		pthread_cond_destroy(&ep->cond);
		pthread_mutex_destroy(&ep->cdmtx);
		pthread_mutex_destroy(&ep->mtx);
		rte_free(ep);

		set_fd_frombitmap(epfd);
		return -2;
	}

	return epfd;
}

 

3.2、epoll_ctl 的实现

功能：对红黑树进行增添，修改、删除。

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event) {
	
    // 通过fd查找到协议栈中对应的tcb连接，返回 eventpoll 对象，fd -> host
	struct eventpoll *ep = (struct eventpoll *)get_hostinfo_fromfd(epfd);
	// 若ep对象为空，或没有要设置的事件（del除外）
	if (!ep || (!event && op != EPOLL_CTL_DEL)) {
		errno = -EINVAL;
		return -1;
	}

	///1、ADD 操作
	if (op == EPOLL_CTL_ADD) {
		
		pthread_mutex_lock(&ep->mtx);

		struct epitem tmp;
		tmp.sockfd = fd;
         // 在红黑树查找该结点 
		struct epitem *epi = RB_FIND(_epoll_rb_socket, &ep->rbr, &tmp);
		
		// 若红黑树已经存在该结点，返回
		if (epi) {
			pthread_mutex_unlock(&ep->mtx);
			return -1;
		}
		// 不存在，则创建 epitem 结点，并为其添加sockfd和事件
		epi = (struct epitem*)rte_calloc("epitem",1, sizeof(struct epitem), 0);
		if (!epi) {
			pthread_mutex_unlock(&ep->mtx);
			errno = -ENOMEM;
			return -1;
		}	
		epi->sockfd = fd;
		memcpy(&epi->event, event, sizeof(struct epoll_event));

		// 插入到红黑树中
		epi = RB_INSERT(_epoll_rb_socket, &ep->rbr, epi);
		assert(epi == NULL);
		// 红黑树结点数量增加
        ep->rbcnt ++;
		
		pthread_mutex_unlock(&ep->mtx);

	} 
	// 2、DEL 操作
	else if (op == EPOLL_CTL_DEL) {

		pthread_mutex_lock(&ep->mtx);

		struct epitem tmp;
		tmp.sockfd = fd;
		struct epitem *epi = RB_FIND(_epoll_rb_socket, &ep->rbr, &tmp);
		
        // 若红黑树中不存在该结点，直接返回
		if (!epi) {
			pthread_mutex_unlock(&ep->mtx);
			return -1;
		}
		// 存在该结点，则从红黑树中删除
		epi = RB_REMOVE(_epoll_rb_socket, &ep->rbr, epi);
		if (!epi) {
			pthread_mutex_unlock(&ep->mtx);
			return -1;
		}
		// 红黑树结点数量减少
		ep->rbcnt --;
         // 释放结点空间
		rte_free(epi);
		
		pthread_mutex_unlock(&ep->mtx);

	} 
    // 3、MOD 操作
    else if (op == EPOLL_CTL_MOD) {

		struct epitem tmp;
		tmp.sockfd = fd;
		struct epitem *epi = RB_FIND(_epoll_rb_socket, &ep->rbr, &tmp);
		// 该结点存在，则修改
		if (epi) {
			epi->event.events = event->events;
			epi->event.events |= EPOLLERR | EPOLLHUP;
		} 
		// 不存在，返回-1
		else {
			errno = -ENOENT;
			return -1;
		}

	} 
    // 4、非法操作
    else {
		assert(0);
	}

	return 0;
}

3.3、epoll_wait 的实现
功能：等待 fd 就绪，监控就绪队列，若有数据，从内核拷贝数据到用户空间；若没有数据，阻塞。

等待的实现方法

等待规定的时间，条件变量 + pthread_cond_timedwait
一直等待（阻塞），条件变量 + pthread_cond_wait
 

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event) {
	
    // 通过fd查找到协议栈中对应的tcb连接，返回 eventpoll 对象，fd -> host
	struct eventpoll *ep = (struct eventpoll *)get_hostinfo_fromfd(epfd);
	// 若ep对象为空，或没有要设置的事件（del除外）
	if (!ep || (!event && op != EPOLL_CTL_DEL)) {
		errno = -EINVAL;
		return -1;
	}

	///1、ADD 操作
	if (op == EPOLL_CTL_ADD) {
		
		pthread_mutex_lock(&ep->mtx);

		struct epitem tmp;
		tmp.sockfd = fd;
         // 在红黑树查找该结点 
		struct epitem *epi = RB_FIND(_epoll_rb_socket, &ep->rbr, &tmp);
		
		// 若红黑树已经存在该结点，返回
		if (epi) {
			pthread_mutex_unlock(&ep->mtx);
			return -1;
		}
		// 不存在，则创建 epitem 结点，并为其添加sockfd和事件
		epi = (struct epitem*)rte_calloc("epitem",1, sizeof(struct epitem), 0);
		if (!epi) {
			pthread_mutex_unlock(&ep->mtx);
			errno = -ENOMEM;
			return -1;
		}	
		epi->sockfd = fd;
		memcpy(&epi->event, event, sizeof(struct epoll_event));

		// 插入到红黑树中
		epi = RB_INSERT(_epoll_rb_socket, &ep->rbr, epi);
		assert(epi == NULL);
		// 红黑树结点数量增加
        ep->rbcnt ++;
		
		pthread_mutex_unlock(&ep->mtx);

	} 
	// 2、DEL 操作
	else if (op == EPOLL_CTL_DEL) {

		pthread_mutex_lock(&ep->mtx);

		struct epitem tmp;
		tmp.sockfd = fd;
		struct epitem *epi = RB_FIND(_epoll_rb_socket, &ep->rbr, &tmp);
		
        // 若红黑树中不存在该结点，直接返回
		if (!epi) {
			pthread_mutex_unlock(&ep->mtx);
			return -1;
		}
		// 存在该结点，则从红黑树中删除
		epi = RB_REMOVE(_epoll_rb_socket, &ep->rbr, epi);
		if (!epi) {
			pthread_mutex_unlock(&ep->mtx);
			return -1;
		}
		// 红黑树结点数量减少
		ep->rbcnt --;
         // 释放结点空间
		rte_free(epi);
		
		pthread_mutex_unlock(&ep->mtx);

	} 
    // 3、MOD 操作
    else if (op == EPOLL_CTL_MOD) {

		struct epitem tmp;
		tmp.sockfd = fd;
		struct epitem *epi = RB_FIND(_epoll_rb_socket, &ep->rbr, &tmp);
		// 该结点存在，则修改
		if (epi) {
			epi->event.events = event->events;
			epi->event.events |= EPOLLERR | EPOLLHUP;
		} 
		// 不存在，返回-1
		else {
			errno = -ENOENT;
			return -1;
		}

	} 
    // 4、非法操作
    else {
		assert(0);
	}

	return 0;
}

4、epoll 回调

4.1、epoll 回调函数的实现


当内核 io 准备就绪的时候，执行 epoll 回调函数，将 epitem 添加到 rdlist 中，唤醒 epoll_wait。当 epoll_wait 被激活重新运行的时候，将 rdlist 的 epitem 逐一拷贝到 events 中，同时删除 rdlist 中对应的结点。换句话说， epoll_callback 是生产者，放入结点，唤醒 epoll_wait；epoll_wait 是消费者，消费结点。

// 从协议栈回调到epoll，把fd和对应的事件拷贝到应用程序
static int nepoll_event_callback(struct eventpoll *ep, int sockid, uint32_t event) {
	
	struct epitem tmp;
	tmp.sockfd = sockid;
	// 在红黑树中查找 epitem
	struct epitem *epi = RB_FIND(_epoll_rb_socket, &ep->rbr, &tmp);
	if (!epi) {
		return -1;
	}
	// 已经在就绪队列中，只添加事件
	if (epi->rdy) {
		epi->event.events |= event;
		return 1;
	} 
	
	// 不在就绪队列，则将结点加入到就绪队列
	pthread_spin_lock(&ep->lock);
	epi->rdy = 1;
	LIST_INSERT_HEAD(&ep->rdlist, epi, rdlink);
	ep->rdnum ++;
	pthread_spin_unlock(&ep->lock);

	pthread_mutex_lock(&ep->cdmtx);

	// 就绪队列中增加结点，唤醒epoll_wait
	pthread_cond_signal(&ep->cond);
	pthread_mutex_unlock(&ep->cdmtx);
	return 0;

}
4.2、epoll 回调的时机


触发 epoll 回调4个时机，需要在这些地方添加 epoll 回调函数，使得 epoll 可以正常接收数据。

三次握手中，在 syn-rcvd 状态，对端返回 ack 后，tcb 结点放入到全连接队列，将对应的 sockfd 的置为 EPOLLIN 状态，等待 accept 取出，触发 epoll 回调。
 

if (stream->status == TCP_SYN_RCVD) {
    // 进入到 ESTABLISHED 状态
    stream->status = TCP_STATUS_ESTABLISHED;
	// 设置 epoll 回调函数，等待 accept
}

在 established 状态，收到数据后，将 sockfd 置为 EPOLLIN 状态，等待读取数据，触发epoll 回调

if (tcphdr->tcp_flags & TCP_PSH_FLAG) {
    // 建立连接后，push 接收数据，设置 epoll 回调函数
}

在 established 状态，收到 fin 时，进入到 close_wait 状态。将 sockfd 的 event 置为 EPOLLIN，读取断开信息，触发 epoll 回调

if (tcphdr->tcp_flags & TCP_FIN_FLAG) {
    // 收到 fin，进入到 CLOSE_WAIT 状态
    stream->status = TCP_STATUS_CLOSE_WAIT; 
    // 设置 epoll 回调函数，读取断开信息
}

  • 检测 socket 的 send 状态，如果对端 cwnd>0， 可以发送数据，将 sockfd 置为 EPOLLOUT，等待发送数据

5、epoll 事件通知机制


水平触发(LT)，有事件，则一直触发；边缘触发(ET)，只触发一次，关注的是 io 状态的变化。

实现的关键是内核 io 就绪时，epoll 回调函数的执行次数。

LT，检测 recvbuffer 有数据则调用 epoll 回调函数
ET，从协议栈中检测到recvbuffer中接收数据就调用 epoll 回调函数
 

我们后面还可以用io_uring来处理，先不介绍了

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