Linux网络——深入理解 epoll

news2025/1/19 8:00:30

一、epoll 模型

1.1 前导知识

1.1.1 宏 offsetof

1.1.2 手动计算

1.2 epoll 模型

二、 epoll 工作模式

2.1 水平触发

特点：

2.2 边缘触发

特点：

边缘触发模式中的循环读取

结合非阻塞模式的优势

一、epoll 模型

经过了之前的学习，了解到了在 OS 内部，帮我们维护着的 epoll 模型由一棵红黑树与一个就绪队列组成，但是实际上真是如此吗？
其实并不是的，这是我们逻辑上抽象的概念，但事实并非如此。

1.1 前导知识

首先，需要思考一个问题，如果我们知道了结构体的某个成员的地址，能否得到该结构体的起始地址呢？

在这个问题上，C/C++ 为我们提供了一个宏 offsetof ，除此之外，还可以手动计算偏移量得到结构体的起始地址。

1.1.1 宏 offsetof

在C/C++中，如果知道一个结构体成员的地址，可以使用offsetof宏和指针运算来找到整个结构体的起始地址。具体来说，可以使用以下方法：

使用offsetof宏来获取结构体成员相对于结构体起始地址的偏移量。
使用指针运算，从成员的地址减去这个偏移量。

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>

typedef struct
{
    int a;
    double b;
    char c;
} MyStruct;

int main()
{
    MyStruct myStruct;
    MyStruct* ptrToStruct = &myStruct;
                    
    // 获取成员b的地址
    double* ptrToMember = &(myStruct.b);

    // 计算结构体起始地址
    MyStruct* startAddress = (MyStruct*)((char*)ptrToMember - offsetof(MyStruct, b));

    // 输出结果
    printf("结构体起始地址: %p\n", (void*)startAddress);
    printf("原结构体地址: %p\n", (void*)ptrToStruct);

    return 0;
}

1.1.2 手动计算

只要知道结构体成员的相对位置，就可以手动计算偏移量找到结构体的起始地址。

定义结构体和成员变量：定义一个包含多个成员的结构体，并定义一个该结构体类型的变量。
获取成员的地址：获取某成员的地址。
计算成员相对于结构体起始地址的偏移量：通过指针运算和类型转换，计算成员在结构体中的偏移量。
通过偏移量计算结构体的起始地址：通过成员地址减去偏移量，计算出结构体的起始地址。

#include <stdio.h>

typedef struct
{
    int a;
    double b;
    char c;
} MyStruct;

int main()
{
    MyStruct myStruct;
    MyStruct* ptrToStruct = &myStruct;

    // 获取成员b的地址
    double* ptrToMember = &(myStruct.b);

    // 计算成员b的偏移量 (假设结构体对齐方式与平台有关，手动计算)
    size_t offset = (size_t)((char*)&(myStruct.b) - (char*)&myStruct);

    // 计算结构体起始地址
    MyStruct* startAddress = (MyStruct*)((char*)ptrToMember - offset);

    // 输出结果
    printf("结构体起始地址: %p\n", (void*)startAddress);
    printf("原结构体地址: %p\n", (void*)ptrToStruct);

    return 0;
}

1.2 epoll 模型

经过前导知识的学习，我们将现在来看一下运用前面知识形成的一个结构：

在这种结构中，next 与 prev 并不指向其他节点的头，而是指向其他节点的同一成员，经过前面的学习，我们知道通过结构体中的某个成员就可以得到结构体的起始地址，就可以访问到结构体的其他成员。

下面正式来看一下， epoll 模型中的节点。

在epoll的实现中，每个被监视的文件描述符（fd）都与一个 struct epitem 结构体实例相关联。这个结构体包含了红黑树节点（struct rb_node rbn）和双向链表节点（struct list_head rdllink）。红黑树用于快速查找和管理文件描述符，而双向链表节点则用于构建就绪队列。

struct epitem
{
    struct rb_node rbn;//红黑树节点
    struct list_head rdllink;//双向链表节点
    struct epoll_filefd ffd; //事件句柄信息
    struct eventpoll *ep; //指向其所属的 eventpoll 对象
    struct epoll_event event; //期待发生的事件类型
}

其中：

rbn 是红黑树节点，用于将该 epitem 插入到红黑树中。
rdllink 是双向链表节点，用于将该 epitem 插入到就绪队列中。

在epoll的实现中，当一个文件描述符准备好进行I/O操作时，相应的 epitem 结构体会从红黑树中取出，并插入到就绪队列中（通常是一个双向链表）。这种设计避免了额外的数据结构，因为 epitem 结构体本身既可以作为红黑树的节点，也可以作为就绪队列的节点。

所以真正的 epoll 模型，应该是类似上图这种形式，就绪队列与红黑树相辅相成。

二、 epoll 工作模式

epoll 有 2 种工作方式-水平触发(LT)和边缘触发(ET)

举例子来说，我们的数据就像是快递， OS 就像是快递小哥。当我们的快递是顺丰快递时，若未取走快递，快递小哥会等着我们并一直打电话催促我们来拿快递；当我们的快递是其他快递时，快递小哥当时给我们打电话，我们可以选择当场去拿，如果当场没去，我们的快递就会被放进菜鸟驿站

上面的顺丰就是水平触发，其他就是边缘触发。

2.1 水平触发

水平触发是 epoll 的默认工作模式。这种模式下，只要文件描述符上有未处理的事件，每次调用 epoll_wait 都会通知你。这意味着，只要有数据可读或空间可写，epoll_wait 就会返回该文件描述符。

特点：

持续通知：只要有事件未被处理，epoll_wait 每次调用都会返回。
简单易用：处理方式类似于 poll 和 select，更容易使用和理解。
适合阻塞式 I/O：适合处理阻塞式 I/O 操作，不容易漏掉事件。

2.2 边缘触发

边缘触发是一种高效的事件通知模式，但使用起来更加复杂。在这种模式下，只有当文件描述符从无事件到有事件变化时才会通知你。换句话说，只有当文件描述符的状态发生变化时（例如，从不可读变为可读），epoll_wait 才会返回该文件描述符。

特点：

一次性通知：只在状态变化时通知一次，如果不一次性处理完所有数据，后续不会再收到通知。
高效：避免了重复通知，减少了系统调用次数。
适合非阻塞 I/O：通常需要将文件描述符设置为非阻塞模式，避免因为没有新事件而陷入阻塞。

因为边缘触发一次性通知的特点，这倒逼着程序员一次性取走TCP缓冲区的全部数据，但是，如何保证能一次性全部处理完所有数据呢？这就要使用循环读取的方法，但是这时又会产生一个问题：

在阻塞模式下，I/O操作（如 read 或 write）会一直阻塞，直到有数据可读或可以写入。这意味着在没有数据可读的情况下，read 调用会阻塞程序，直到有数据到达。一旦 I/O 阻塞，程序会因为等待 I/O 操作而停滞不前，这违背了边缘触发模式的设计理念，并会影响到整个事件驱动系统的性能。所以就需要我们将文件描述符设置为非阻塞状态。