epoll的高效实现原理

2012-01-16 10:48:06

分类： C/C++

 

epoll的高效实现原理

原文地址：http://blog.chinaunix.net/space.php?uid=26423908&do=blog&id=3058905

 

开发高性能网络程序时，windows开发者们言必称iocp，linux开发者们则言必称epoll。大家都明白epoll是一种IO多路复用技术，可以非常高效的处理数以百万计的socket句柄，比起以前的select和poll效率高大发了。我们用起epoll来都感觉挺爽，确实快，那么，它到底为什么可以高速处理这么多并发连接呢？

先简单回顾下如何使用C库封装的3个epoll系统调用吧。

 

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);

使用起来很清晰，首先要调用epoll_create建立一个epoll对象。参数size是内核保证能够正确处理的最大句柄数，多于这个最大数时内核可不保证效果。

epoll_ctl可以操作上面建立的epoll，例如，将刚建立的socket加入到epoll中让其监控，或者把 epoll正在监控的某个socket句柄移出epoll，不再监控它等等。

epoll_wait在调用时，在给定的timeout时间内，当在监控的所有句柄中有事件发生时，就返回用户态的进程。

从上面的调用方式就可以看到epoll比select/poll的优越之处：因为后者每次调用时都要传递你所要监控的所有socket给select/poll系统调用，这意味着需要将用户态的socket列表copy到内核态，如果以万计的句柄会导致每次都要copy几十几百KB的内存到内核态，非常低效。而我们调用epoll_wait时就相当于以往调用select/poll，但是这时却不用传递socket句柄给内核，因为内核已经在epoll_ctl中拿到了要监控的句柄列表。

所以，实际上在你调用epoll_create后，内核就已经在内核态开始准备帮你存储要监控的句柄了，每次调用epoll_ctl只是在往内核的数据结构里塞入新的socket句柄。

在内核里，一切皆文件。所以，epoll向内核注册了一个文件系统，用于存储上述的被监控socket。当你调用epoll_create时，就会在这个虚拟的epoll文件系统里创建一个file结点。当然这个file不是普通文件，它只服务于epoll。

epoll在被内核初始化时（操作系统启动），同时会开辟出epoll自己的内核高速cache区，用于安置每一个我们想监控的socket，这些socket会以红黑树的形式保存在内核cache里，以支持快速的查找、插入、删除。这个内核高速cache区，就是建立连续的物理内存页，然后在之上建立slab层，简单的说，就是物理上分配好你想要的size的内存对象，每次使用时都是使用空闲的已分配好的对象。

 

1. static int __init eventpoll_init(void)
2. {
3. ... ...
4.
5. /* Allocates slab cache used to allocate "struct epitem" items */
6. epi_cache = kmem_cache_create("eventpoll_epi", sizeof(struct epitem),
7. 0, SLAB_HWCACHE_ALIGN|EPI_SLAB_DEBUG|SLAB_PANIC,
8. NULL, NULL);
9.
10. /* Allocates slab cache used to allocate "struct eppoll_entry" */
11. pwq_cache = kmem_cache_create("eventpoll_pwq",
12. sizeof(struct eppoll_entry), 0,
13. EPI_SLAB_DEBUG|SLAB_PANIC, NULL, NULL);
14.
15. ... ...

epoll的高效就在于，当我们调用epoll_ctl往里塞入百万个句柄时，epoll_wait仍然可以飞快的返回，并有效的将发生事件的句柄给我们用户。这是由于我们在调用epoll_create时，内核除了帮我们在epoll文件系统里建了个file结点，在内核cache里建了个红黑树用于存储以后epoll_ctl传来的socket外，还会再建立一个list链表，用于存储准备就绪的事件，当epoll_wait调用时，仅仅观察这个list链表里有没有数据即可。有数据就返回，没有数据就sleep，等到timeout时间到后即使链表没数据也返回。所以，epoll_wait非常高效。

而且，通常情况下即使我们要监控百万计的句柄，大多一次也只返回很少量的准备就绪句柄而已，所以，epoll_wait仅需要从内核态copy少量的句柄到用户态而已，如何能不高效？！

那么，这个准备就绪list链表是怎么维护的呢？当我们执行epoll_ctl时，除了把socket放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上之外，还会给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核，如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。所以，当一个socket上有数据到了，内核在把网卡上的数据copy到内核中后就来把socket插入到准备就绪链表里了。

如此，一颗红黑树，一张准备就绪句柄链表，少量的内核cache，就帮我们解决了大并发下的socket处理问题。执行epoll_create时，创建了红黑树和就绪链表，执行epoll_ctl时，如果增加socket句柄，则检查在红黑树中是否存在，存在立即返回，不存在则添加到树干上，然后向内核注册回调函数，用于当中断事件来临时向准备就绪链表中插入数据。执行epoll_wait时立刻返回准备就绪链表里的数据即可。

最后看看epoll独有的两种模式LT和ET。无论是LT和ET模式，都适用于以上所说的流程。区别是，LT模式下，只要一个句柄上的事件一次没有处理完，会在以后调用epoll_wait时次次返回这个句柄，而ET模式仅在第一次返回。

这件事怎么做到的呢？当一个socket句柄上有事件时，内核会把该句柄插入上面所说的准备就绪list链表，这时我们调用epoll_wait，会把准备就绪的socket拷贝到用户态内存，然后清空准备就绪list链表，最后，epoll_wait干了件事，就是检查这些socket，如果不是ET模式（就是LT模式的句柄了），并且这些socket上确实有未处理的事件时，又把该句柄放回到刚刚清空的准备就绪链表了。所以，非ET的句柄，只要它上面还有事件，epoll_wait每次都会返回。而ET模式的句柄，除非有新中断到，即使socket上的事件没有处理完，也是不会次次从epoll_wait返回的。

 

 

 

 

 

 epoll LT、ET模式分析 2012-01-16 10:17:21

分类： C/C++

 

剖析 epoll ET/LT 触发方式的性能差异误解（定性分析）

 

ET模式仅当状态发生变化的时候才获得通知,这里所谓的状态的变化并不包括缓冲区中还有未处理的数据,也就是说,如果要采用ET模式,需要一直read/write直到出错为止,很多人反映为什么采用ET模式只接收了一部分数据就再也得不到通知了,大多因为这样;而LT模式是只要有数据没有处理就会一直通知下去的.
    LT(level triggered)是缺省的工作方式，并且同时支持block和no-block socket.在这种做法中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的，所以，这种模式编程出错误可能性要小一点。传统的select/poll都是这种模型的代表．
    ET(edge-triggered)是高速工作方式，只支持no-block socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了(比如，你在发送，接收或者接收请求，或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK 错误）。但是请注意，如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪)，内核不会发送更多的通知(only once),不过在TCP协议中，ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark确认。

平时大家使用 epoll 时都知道其事件触发模式有默认的 level-trigger 模式和通过 EPOLLET 启用的 edge-trigger 模式两种。从 epoll 发展历史来看，它刚诞生时只有 edge-trigger 模式，后来因容易产生 race-cond 且不易被开发者理解，又增加了 level-trigger 模式并作为默认处理方式。二者的差异在于 level-trigger 模式下只要某个 fd 处于 readable/writable 状态，无论什么时候进行epoll_wait 都会返回该 fd；而 edge-trigger 模式下只有某个 fd 从 unreadable 变为 readable 或从unwritable 变为 writable 时，epoll_wait 才会返回该 fd。

通常的误区是，level-trigger 模式在 epoll 池中存在大量 fd 时效率要显著低于 edge-trigger模式。

但从 kernel 代码来看，edge-trigger/level-trigger 模式的处理逻辑几乎完全相同，差别仅在于level-trigger 模式在 event 发生时不会将其从 ready list 中移除，略为增大了 event 处理过程中kernel space 中记录数据的大小。

然而，edge-trigger 模式一定要配合 user app 中的 ready list 结构，以便收集已出现 event 的fd，再通过 round-robin 方式挨个处理，以此避免通信数据量很大时出现忙于处理热点 fd 而导致非热点 fd 饿死的现象。统观 kernel 和 user space，由于 user app 中 ready list 的实现千奇百怪，不一定都经过仔细的推敲优化，因此 edge-trigger 的总内存开销往往还大于 level-trigger 的开销。

一般号称 edge-trigger 模式的优势在于能够减少 epoll 相关系统调用，这话不假，但 user app里可不是只有 epoll 相关系统调用吧？为了绕过饿死问题，edge-trigger 模式的 user app 要自行进行read/write 循环处理，这其中增加的系统调用和减少的 epoll 系统调用加起来，有谁能说一定就能明显地快起来呢？

实际上，epoll_wait 的效率是 O(ready fd num) 级别的，因此 edge-trigger 模式的真正优势在于减少了每次 epoll_wait 可能需要返回的 fd 数量，在并发 event 数量极多的情况下能加快 epoll_wait的处理速度，但别忘了这只是针对 epoll 体系自己而言的提升，与此同时 user app 需要增加复杂的逻辑、花费更多的 cpu/mem 与其配合工作，总体性能收益究竟如何？只有实际测量才知道，无法一概而论。不过，为了降低处理逻辑复杂度，常用的事件处理库大部分都选择了 level-trigger 模式（如libevent、boost::asio等）

结论：
    epoll 的 edge-trigger 和 level-trigger 模式处理逻辑差异极小，性能测试结果表明常规应用场景 中二者性能差异可以忽略；使用 edge-trigger 的 user app 比使用 level-trigger 的逻辑复杂，出错概率更高；edge-trigger 和 level-trigger 的性能差异主要在于 epoll_wait 系统调用的处理速度，是否是 user app 的性能瓶颈需要视应用场景而定，不可一概而论。