IO复用-epoll基础

news2024/9/24 1:20:45

文章目录

IO复用
认识epoll
epoll原理
- 重要结构体
epoll的ET、LT
epoll高效的原因
epoll需要解决的问题
对于使用epoll的建议

IO复用

IO=等待+拷贝

IO复用是一种通过减少等待时间，来提高IO效率的方式。 其原理是通过同时管理多个IO接口（文件描述符），将等待的时间重叠，这样使得在相等的时间内，出现满足条件的文件描述符的概率增大。

在这里插入图片描述

左图是一般的阻塞/非阻塞IO，右图是IO复用

很明显看出，IO复用的单位时间内文件描述符准备好的概率更大，这就代表其单位时间内等待准备的时间更短，所以IO更高效

认识epoll

epoll是一种通过IO复用来提高IO效率的方式，是基于select、poll的提升版本，其克服了select、poll的主要缺陷

	1	2	3	4
select	同时等待的fd有上限	输入输出参数混合，每次都要重新设定	内核和用户之间的数据拷贝多	底层监视多个fd时，OS会在内部进行遍历检测
poll	null	null	内核和用户之间的数据拷贝多	底层监视多个fd时，OS会在内部进行遍历检测
epoll	null	null	null	null

下图是《Linux高性能服务器编程》中对三种多路转接的方式的比较

在这里插入图片描述

epoll原理

谈论epoll的原理离不开3点：

红黑树
就绪队列（双向链表）
回调机制

在这里插入图片描述

创建实例
- 调用epoll_create()创建一个eventpoll实例，其内部存储了红黑树根节点、双链表等重要结构。
事件注册
- 当使用epoll_ctl函数向epoll实例中添加需要监视的文件描述符时，可以指定对该文件描述符感兴趣的事件类型（如可读、可写等）。
- 在这个过程中，epoll会在内核中创建一个epitem结构体来表示这个监视关系，并将该结构体插入到红黑树中，以便快速查找和更新。
事件就绪检测
- 当文件描述符上的事件发生时（如数据到达socket缓冲区），内核会检测到这一变化，并触发相应的处理逻辑（回调机制）。
- epoll使用回调函数来处理这些就绪事件。这些回调函数是内核在检测到事件时自动调用的，而不是由用户显式调用的。
事件通知
- 当回调函数被调用时，它会将就绪的文件描述符从红黑树中取出，并添加到就绪链表中（实际上并非取出，而是更改其内部的双链表指针，这是Linux独特的双链表结构，使用强转和位偏移可以找到对象任意位置）。
- 用户进程通过调用epoll_wait函数来等待和接收就绪事件。epoll_wait函数会阻塞用户进程，直到有就绪事件发生或超时（可以设置为非阻塞）。
- 当epoll_wait返回时，它会将就绪链表中的事件复制到用户提供的数组中，并返回就绪事件的数量。

重要结构体

// epoll实例，调用epoll_create创建的结构体
struct eventpoll {
	spinlock_t lock;
	struct mutex mtx;
	wait_queue_head_t wq;
	wait_queue_head_t poll_wait;
	struct list_head rdllist;
	struct rb_root rbr;
	struct epitem *ovflist;
	struct user_struct *user;
};
// 红黑树节点
struct epitem {
	struct rb_node rbn;
	struct list_head rdllink;
	struct epitem *next;
	struct epoll_filefd ffd;
	int nwait;
	struct list_head pwqlist;
	struct eventpoll *ep;
	struct list_head fllink;
	struct epoll_event event;
};
struct rb_node
{
	unsigned long  rb_parent_color;
	struct rb_node *rb_right;
	struct rb_node *rb_left;
} __attribute__((aligned(sizeof(long))));
struct list_head {
	struct list_head *next, *prev;
};

上图是Linux2.6源码中调用epoll_ctl创建新的文件描述符时创建的节点结构体

struct rb_node rbn：存储该节点的颜色、左右孩子、以及父亲节点（这里rb_node结构体中虽然没有用rb_node*来存储父节点，但是通过rb_parent_color可以推断出，Linux为了节省存储开销，将父节点的地址和颜色结合在了一起（联合字段））
struct epoll_event event：存储该节点对应的事件
struct list_head rdllink：指向双链表
struct eventpoll *ep：指向其所属的eventpoll对象
struct epoll_filefd ffd：事件句柄信息、文件描述符

红黑树的作用

利用红黑树的平衡原理，使得插入、删除、查找变得高效。当一个文件描述符状态发生变化时（硬件能够检测到），可以高效的遍历到该文件描述符所对应的节点，进而对其属性进行修改。

就绪队列

就绪队列采用双链表，将所有准备就绪的文件描述符链入该队列中，确保了用户读取使用的时候，无需进行任何遍历，直接按顺序recv就行。

回调机制

当你向计算机内输入数据的时候（无论键盘还是网络），计算机的中断机制都会将该数据读取到，然后告知上层。在epoll中，可以提前设置回调函数，当网络中来数据时，OS会发现，并调用该回调函数，然后就可以修改红黑树中的节点状态并将该节点链入就绪队列中。

epoll的ET、LT

LT（Level Trigger 水平触发-epoll默认方式）、ET（Edge Trigger 边沿触发）

LT：当文件描述符准备好后，只要该文件描述符没有进行处理，那么epoll_wait()就会一直响应该文件描述符，告诉用户你要进行处理了，直到你读取了文件描述符内的数据

ET：只有当文件描述符首次准备好、以及后续有新的内容到达时，epoll_wait()才会通知用户读取数据。一旦你没有进行处理，同时后续也没有新的数据到达，那么该文件描述符内的数据也就读不到了。

注意！！ET模式下，所有的文件描述符都需要是非阻塞状态

避免阻塞在epoll_wait上
确保数据读取的完整性

由于上述原因，所以处于ET模式下的epoll要求：程序员必须马上把我文件描述符内的数据读完，不然你可能就再也读不到了。当然处理LT模式下的也可以这么做，但是由于LT不是硬性要求赶快读完，所以就有容错空间。

epoll高效的原因

这里只对epoll相较于select、poll的高效作原因分析

select、poll的fd都是用户态设置的，所以会存在多次的用户内核态切换。而epoll的fd是常驻内核的，减少了状态的切换和拷贝。
select、poll只支持LT模式，而epoll还支持ET模式。在ET模式下，epoll会尽快接收完报文，然后较快的返回TCP应答报文中的窗口字段值，这样发送方就可以更快、更多的发送数据。
select、poll在检测文件描述符状态的时候，都需要遍历fd。而epoll不需要，大大减少了遍历带来的开销。