多路复用器Select、Poll、Epoll区别梳理

注意:本文是本人的学习总结,可能存在理解上的错误,请带着怀疑眼光看待,如果有不准确的地方欢迎指出,疑义相与析。为了叙述完整性,前面有一些前置知识,可以根据目录直接看后面的详解部分。

前置知识

用户态与内核态

如果不了解,参考我之前的博文:用户态与内核态

上下文切换

如果不了解,参考我之前的博文:上下文切换

文件描述符

Linux中,一切皆是文件,也就是意味着任何一个进程以及线程也都有一个唯一标识,这个标识称之为为文件描述符(file descriptor),举一些例子,例如建立Socket连接,会产生一个文件,文件的描述符标记为fd1,socket监听也会产生一个文件,也会产生文件描述符fd2,文件描述符在形式上是一个非负整数,是一个索引值,指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。

具体来说,文件又可分为:普通文件、目录文件、链接文件和设备文件。文件描述符(file descriptor)是内核为了高效管理已被打开的文件所创建的索引,其是一个非负整数(通常是小整数),用于指代被打开的文件,所有执行I/O操作的系统调用都通过文件描述符。程序刚刚启动的时候,0是标准输入,1是标准输出,2是标准错误。如果此时去打开一个新的文件,它的文件描述符会是3。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时,内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中,一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。

打开文件表

每一个文件描述符会与一个打开文件相对应,同时,不同的文件描述符也会指向同一个文件。相同的文件可以被不同的进程打开也可以在同一个进程中被多次打开。系统为每一个进程维护了一个文件描述符表,该表的值都是从0开始的,所以在不同的进程中你会看到相同的文件描述符,这种情况下相同文件描述符有可能指向同一个文件,也有可能指向不同的文件。具体情况要具体分析,要理解具体其概况如何,需要查看由内核维护的3个数据结构。

  1. 进程级的文件描述符表

  2. 系统级的打开文件描述符表

  3. 文件系统的i-node表

进程级的描述符表的每一条目记录了单个文件描述符的相关信息。

  1. 控制文件描述符操作的一组标志。(目前,此类标志仅定义了一个,即close-on-exec标志)

  2. 对打开文件句柄的引用

内核对所有打开的文件的文件维护有一个系统级的描述符表格(open file description table)。有时,也称之为打开文件表(open file table),并将表格中各条目称为打开文件句柄(open file handle)。一个打开文件句柄存储了与一个打开文件相关的全部信息,如下所示:

  1. 当前文件偏移量(调用read()和write()时更新,或使用lseek()直接修改)

  2. 打开文件时所使用的状态标识(即,open()的flags参数)

  3. 文件访问模式(如调用open()时所设置的只读模式、只写模式或读写模式)

  4. 与信号驱动相关的设置

  5. 对该文件i-node对象的引用

  6. 文件类型(例如:常规文件、套接字或FIFO)和访问权限

  7. 一个指针,指向该文件所持有的锁列表

  8. 文件的各种属性,包括文件大小以及与不同类型操作相关的时间戳

文件描述符与打开文件表

注意

  1. 由于进程级文件描述符表的存在,不同的进程中会出现相同的文件描述符,它们可能指向同一个文件,也可能指向不同的文件**

  2. 两个不同的文件描述符,若指向同一个打开文件句柄,将共享同一文件偏移量。因此,如果通过其中一个文件描述符来修改文件偏移量(由调用read()、write()或lseek()所致),那么从另一个描述符中也会观察到变化,无论这两个文件描述符是否属于不同进程,还是同一个进程,情况都是如此。

  3. 要获取和修改打开的文件标志(例如:O_APPEND、O_NONBLOCK和O_ASYNC),可执行fcntl()的F_GETFL和F_SETFL操作,其对作用域的约束与上一条颇为类似。

  4. 文件描述符标志(即,close-on-exec)为进程和文件描述符所私有。对这一标志的修改将不会影响同一进程或不同进程中的其他文件描述符

缓存 I/O

缓存 I/O 又被称作标准 I/O,大多数文件系统的默认 I/O 操作都是缓存 I/O。在 Linux 的缓存 I/O 机制中,操作系统会将 I/O 的数据缓存在文件系统的页缓存( page cache )中,也就是说,数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中,然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。

**Page cache **也叫页缓冲或文件缓冲,是由好几个磁盘块构成,大小通常为4k,在64位系统上为8k,构成的几个磁盘块在物理磁盘上不一定连续,文件的组织单位为一页, 也就是一个page cache大小,文件读取是由外存上不连续的几个磁盘块,到buffer cache(块缓存),然后组成page cache,然后供给应用程序。

Page cache在linux读写文件时,它用于缓存文件的逻辑内容,从而加快对磁盘上映像和数据的访问。具体说是加速对文件内容的访问,buffer cache缓存文件的具体内容——物理磁盘上的磁盘块,这是加速对磁盘的访问。

缓存 I/O 的缺点:
数据在传输过程中需要在应用程序地址空间和内核进行多次数据拷贝操作,这些数据拷贝操作所带来的 CPU 以及内存开销是非常大的。

阻塞与IO

Linux下,与阻塞以及IO相关的概念有四个:同步异步阻塞非阻塞

关于这四个概念,先举一个通俗的例子,后面再深入解释:

假如我们需要烧一壶水,一直在旁边盯着看水开没,这叫同步阻塞调用

假如我们需要烧一壶水,不是在旁边盯,而是时不时去看看水开没,这叫同步非阻塞调用

假如我们需要烧一壶水,这个水壶有警报,不用在旁边盯,水开警报响起通知我,这叫异步调用

如果深入到多路复用Linux内核,异步目前还没有统一的方案,目前所有的讨论均在同步上进行。

阻塞IO

在linux中,默认情况下所有的socket都是blocking IO,一个典型的读操作流程大概是这样:

当用户进程调用了recvfrom这个系统调用,kernel就开始了IO的第一个阶段:准备数据(对于网络IO来说,很多时候数据在一开始还没有到达。比如,还没有收到一个完整的UDP包。这个时候kernel就要等待足够的数据到来)。这个过程需要等待,也就是说数据被拷贝到操作系统内核的缓冲区中是需要一个过程的。而在用户进程这边,整个进程会被阻塞(当然,是进程自己选择的阻塞)。当kernel一直等到数据准备好了,它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存,然后kernel返回结果,用户进程才解除block的状态,重新运行起来。

所以,blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

非阻塞 IO

linux下,可以通过设置socket使其变为非阻塞 I/O(nonblocking IO)。当对一个non-blocking socket执行读操作时,流程是这个样子:

当用户进程发出read操作时,如果kernel中的数据还没有准备好,那么它并不会block用户进程,而是立刻返回一个error(-1)。从用户进程角度讲 ,它发起一个read操作后,并不需要等待,而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个error时,它就知道数据还没有准备好,于是它可以再次发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了,并且又再次收到了用户进程的system call,那么它马上就将数据拷贝到了用户内存,然后返回。

所以,nonblocking IO的特点是用户进程需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

IO 多路复用

多路复用示意图:

IO 多路复用(multiplexing)就是我们说的select,poll,epoll,首先讲解Selelct

详解Select

如果有很多个请求(Select限制请求上限为1024)连接到服务器,Select(poll与其类似)会对所有请求遍历,记录下有数据到达的请求IO,然后返回记录信息,客户端读取,当请求数量很多但是有数据传输的请求很少时,有很多不必要的空读取,这是Select的瓶颈。

Select调用函数

该函数准许进程指示内核等待多个事件中的任何一个发送,并只在有一个或多个事件发生或经历一段指定的时间后才唤醒。函数原型如下:

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>

int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout)

返回值:就绪描述符的数目,超时返回0,出错返回-1

函数参数介绍

(1)第一个参数maxfdp1指定待测试的描述字个数,它的值是待测试的最大描述字加1(因此把该参数命名为maxfdp1),描述字0、1、2...maxfdp1-1均将被测试。

因为文件描述符是从0开始的。

(2)中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定我们要让内核测试读、写和异常条件的描述字。如果对某一个的条件不感兴趣,就可以把它设为空指针。struct fd_set可以理解为一个集合,这个集合中存放的是文件描述符,可通过以下四个宏进行设置:

​ void FD_ZERO(fd_set *fdset); //清空集合

​ void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //将一个给定的文件描述符加入集合之中

​ void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //将一个给定的文件描述符从集合中删除

​ int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); // 检查集合中指定的文件描述符是否可以读写

(3)timeout告知内核等待所指定描述字中的任何一个就绪可花多少时间。其timeval结构用于指定这段时间的秒数和微秒数。

 struct timeval{
          long tv_sec;  //seconds
          long tv_usec; //microseconds
   };

这个参数有三种可能:

(1)永远等待下去:仅在有一个描述字准备好I/O时才返回。为此,把该参数设置为空指针NULL。

(2)等待一段固定时间:在有一个描述字准备好I/O时返回,但是不超过由该参数所指向的timeval结构中指定的秒数和微秒数。

(3)根本不等待:检查描述字后立即返回,这称为轮询。为此,该参数必须指向一个timeval结构,而且其中的定时器值必须为0。

select原理图

详解Poll

poll的机制与select类似,与select在本质上没有多大差别,管理多个描述符也是进行轮询,根据描述符的状态进行处理,但是poll没有最大文件描述符数量的限制。poll和select同样存在一个缺点就是,包含大量文件描述符的数组被整体复制于用户态和内核的地址空间之间,而不论这些文件描述符是否就绪,它的开销随着文件描述符数量的增加而线性增大。

Poll调用函数

# include <poll.h>
int poll ( struct pollfd * fds, unsigned int nfds, int timeout);

pollfd结构体定义如下:

struct pollfd {
int fd;         /* 文件描述符 */
short events;         /* 等待的事件 */
short revents;       /* 实际发生了的事件 */
} ; 

每一个pollfd结构体指定了一个被监视的文件描述符,可以传递多个结构体,指示poll()监视多个文件描述符。每个结构体的events域是监视该文件描述符的事件掩码,由用户来设置这个域。revents域是文件描述符的操作结果事件掩码,内核在调用返回时设置这个域。events域中请求的任何事件都可能在revents域中返回。合法的事件如下:

  POLLIN        有数据可读。

  POLLRDNORM     有普通数据可读。

  POLLRDBAND      有优先数据可读。

  POLLPRI         有紧迫数据可读。

  POLLOUT       写数据不会导致阻塞。

  POLLWRNORM      写普通数据不会导致阻塞。

  POLLWRBAND      写优先数据不会导致阻塞。

  POLLMSGSIGPOLL    消息可用。

此外,revents域中还可能返回下列事件:

  POLLER   指定的文件描述符发生错误。

POLLHUP   指定的文件描述符挂起事件。

  POLLNVAL  指定的文件描述符非法。

这些事件在events域中无意义,因为它们在合适的时候总是会从revents中返回。

Poll与Select的区别

使用poll()和select()不一样,不需要显式地请求异常情况报告。
POLLIN | POLLPRI等价于select()的读事件,POLLOUT |POLLWRBAND等价于select()的写事件。POLLIN等价于POLLRDNORM |POLLRDBAND,而POLLOUT则等价于POLLWRNORM。例如,要同时监视一个文件描述符是否可读和可写,我们可以设置 events为POLLIN |POLLOUT。在poll返回时,我们可以检查revents中的标志,对应于文件描述符请求的events结构体。如果POLLIN事件被设置,则文件描述符可以被读取而不阻塞。如果POLLOUT被设置,则文件描述符可以写入而不导致阻塞。这些标志并不是互斥的:它们可能被同时设置,表示这个文件描述符的读取和写入操作都会正常返回而不阻塞。

timeout参数指定等待的毫秒数,无论I/O是否准备好,poll都会返回。timeout指定为负数值表示无限超时,使poll()一直挂起直到一个指定事件发生;timeout为0指示poll调用立即返回并列出准备好I/O的文件描述符,但并不等待其它的事件。这种情况下,poll()就像它的名字那样,一旦选举出来,立即返回。

返回值和错误代码

成功时,poll()返回结构体中revents域不为0的文件描述符个数;如果在超时前没有任何事件发生,poll()返回0;失败时,poll()返回-1,并设置errno为下列值之一:

  EBADF   一个或多个结构体中指定的文件描述符无效。

  EFAULTfds   指针指向的地址超出进程的地址空间。

  EINTR     请求的事件之前产生一个信号,调用可以重新发起。

  EINVALnfds  参数超出PLIMIT_NOFILE值。

  ENOMEM   可用内存不足,无法完成请求。

详解Epoll

epoll是在2.6内核中提出的,是之前的select和poll的增强版本。相对于select和poll来说,epoll更加灵活,没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符,将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中,这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。

Epoll多路复用场景

上图流程解释:

JAVA默认会调用Epoll作为多路复用选择器,可以设置参数调整

-Djava.nio.channels.spi.SelectorProvider=sun.nio.ch.EPollSelectorProvider

当JAVA端调用Selector后,创建一个套接字Socket,描述符是fd4,绑定顿口bind开始监听,这时候在epoll里面会调用单个函数(后面会详细解释),首先调用epoll_create(int size)创建红黑树空间fd6,这个空间是需要被监听时间的数目,然后执行epoll_ctl,将空间fd6与Socket描述符fd4关联起来,当有连接有数据时,记录IO的编号,并将这个编号存储在一个链表中,当epoll调用epoll_wait时,将这个记录有事件IO的链表返回,之后调用程序只需要根据记录的信息读写产生事件的IO即可。

Epoll函数解释

epoll操作过程需要三个接口,分别如下:

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

(1) int epoll_create(int size);
  创建一个epoll的句柄,size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。这个参数不同于select()中的第一个参数,给出最大监听的fd+1的值。需要注意的是,当创建好epoll句柄后,它就是会占用一个fd值,在linux下如果查看/proc/进程id/fd/,是能够看到这个fd的,所以在使用完epoll后,必须调用close()关闭,否则可能导致fd被耗尽

(2)int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

epoll的事件注册函数,它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件,而是在这里先注册要监听的事件类型。第一个参数是epoll_create()的返回值,第二个参数表示动作,用三个宏来表示

EPOLL_CTL_ADD:注册新的fd到epfd中;
EPOLL_CTL_MOD:修改已经注册的fd的监听事件;
EPOLL_CTL_DEL:从epfd中删除一个fd;

第三个参数是需要监听的fd,第四个参数是告诉内核需要监听什么事,struct epoll_event结构如下:

struct epoll_event {
  __uint32_t events;  /* Epoll events */
  epoll_data_t data;  /* User data variable */
};

events可以是以下几个宏的集合:

EPOLLIN :表示对应的文件描述符可以读(包括对端SOCKET正常关闭);
EPOLLOUT:表示对应的文件描述符可以写;
EPOLLPRI:表示对应的文件描述符有紧急的数据可读(这里应该表示有带外数据到来);
EPOLLERR:表示对应的文件描述符发生错误;
EPOLLHUP:表示对应的文件描述符被挂断;
EPOLLET: 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式,这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。
EPOLLONESHOT:只监听一次事件,当监听完这次事件之后,如果还需要继续监听这个socket的话,需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里

(3) int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
等待事件的产生,类似于select()调用。参数events用来从内核得到事件的集合,maxevents告之内核这个events有多大,这个maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size,参数timeout是超时时间(毫秒,0会立即返回,-1将不确定,也有说法说是永久阻塞)。该函数返回需要处理的事件数目,如返回0表示已超时。

工作模式

  epoll对文件描述符的操作有两种模式:LT(level trigger)和ET(edge trigger)。LT模式是默认模式,LT模式与ET模式的区别如下:

  LT模式:当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序,应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时,会再次响应应用程序并通知此事件。

  ET模式:当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序,应用程序必须立即处理该事件。如果不处理,下次调用epoll_wait时,不会再次响应应用程序并通知此事件。

  ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数,因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的时候,必须使用非阻塞套接口,以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

三种多路复用器区别总结

Select

流程:

(1)使用copy_from_user从用户空间拷贝fd_set到内核空间

(2)注册回调函数__pollwait

(3)遍历所有fd,调用其对应的poll方法(对于socket,这个poll方法是sock_poll,sock_poll根据情况会调用到tcp_poll,udp_poll或者datagram_poll)

(4)以tcp_poll为例,其核心实现就是__pollwait,也就是上面注册的回调函数。

(5)__pollwait的主要工作就是把current(当前进程)挂到设备的等待队列中,不同的设备有不同的等待队列,对于tcp_poll来说,其等待队列是sk->sk_sleep(注意把进程挂到等待队列中并不代表进程已经睡眠了)。在设备收到一条消息(网络设备)或填写完文件数据(磁盘设备)后,会唤醒设备等待队列上睡眠的进程,这时current便被唤醒了。

(6)poll方法返回时会返回一个描述读写操作是否就绪的mask掩码,根据这个mask掩码给fd_set赋值。

(7)如果遍历完所有的fd,还没有返回一个可读写的mask掩码,则会调用schedule_timeout是调用select的进程(也就是current)进入睡眠。当设备驱动发生自身资源可读写后,会唤醒其等待队列上睡眠的进程。如果超过一定的超时时间(schedule_timeout指定),还是没人唤醒,则调用select的进程会重新被唤醒获得CPU,进而重新遍历fd,判断有没有就绪的fd。

(8)把fd_set从内核空间拷贝到用户空间。

select的几大缺点:

(1)每次调用select,都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态,这个开销在fd很多时会很大

(2)同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd,这个开销在fd很多时也很大

(3)select支持的文件描述符数量太小了,默认是1024

Poll

poll的实现和select非常相似,只是描述fd集合的方式不同,poll使用pollfd结构而不是select的fd_set结构,没有1024限制,其他的都差不多。

关于select和poll的实现分析,可以参考CSDN上几篇博文:

select(poll)系统调用实现解析(一)

select(poll)系统调用实现解析(二)

select(poll)系统调用实现解析(三)

使用事件驱动模型实现高效稳定的网络服务器程序

Epoll

epoll既然是对select和poll的改进,就应该能避免上述的三个缺点。那epoll都是怎么解决的呢?在此之前,我们先看一下epoll和select和poll的调用接口上的不同,select和poll都只提供了一个函数——select或者poll函数。而epoll提供了三个函数,epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait,epoll_create是创建一个epoll句柄;epoll_ctl是注册要监听的事件类型;epoll_wait则是等待事件的产生。

对于第一个缺点,epoll的解决方案在epoll_ctl函数中。每次注册新的事件到epoll句柄中时(在epoll_ctl中指定EPOLL_CTL_ADD),会把所有的fd拷贝进内核,而不是在epoll_wait的时候重复拷贝。epoll保证了每个fd在整个过程中只会拷贝一次。

对于第二个缺点,epoll的解决方案不像select或poll一样每次都把current轮流加入fd对应的设备等待队列中,而只在epoll_ctl时把current挂一遍(这一遍必不可少)并为每个fd指定一个回调函数,当设备就绪,唤醒等待队列上的等待者时,就会调用这个回调函数,而这个回调函数会把就绪的fd加入一个就绪链表)。epoll_wait的工作实际上就是在这个就绪链表中查看有没有就绪的fd(利用schedule_timeout()实现睡一会,判断一会的效果,和select实现中的第7步是类似的)。

对于第三个缺点,epoll没有这个限制,它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目,这个数字一般远大于2048,举个例子,在1GB内存的机器上大约是10万左右,具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般来说这个数目和系统内存关系很大。

总结

(1)select,poll实现需要自己不断轮询所有fd集合,直到设备就绪,期间可能要睡眠和唤醒多次交替。而epoll其实也需要调用epoll_wait不断轮询就绪链表,期间也可能多次睡眠和唤醒交替,但是它是设备就绪时,调用回调函数,把就绪fd放入就绪链表中,并唤醒在epoll_wait中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替,但是select和poll在“醒着”的时候要遍历整个fd集合,而epoll在“醒着”的时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了,这节省了大量的CPU时间。这就是回调机制带来的性能提升。

(2)select,poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次,并且要把current往设备等待队列中挂一次,而epoll只要一次拷贝,而且把current往等待队列上挂也只挂一次(在epoll_wait的开始,注意这里的等待队列并不是设备等待队列,只是一个epoll内部定义的等待队列)。这也能节省不少的开销。
(3)无论是那种多路复用器,知道IO状态后都需要自己去读取,所以都是同步而非异步

posted @ 2021-01-19 00:15  等不到的口琴  阅读(1106)  评论(0编辑  收藏  举报