多路转接方案：select poll epoll 介绍和对比
1. IO模型
内存和外设的交互叫做IO，网络IO就是将数据在内存和网卡间拷贝。
IO本质就是等待和拷贝，一般等待耗时往往远高于拷贝耗时。所以提高IO效率就是尽可能减少等待时间的比重。
| IO模型 | 简单对比解释 |
|---|---|
| 阻塞IO | 阻塞等待数据到来 |
| 非阻塞IO | 轮询等待数据到来 |
| 信号驱动 | 信号递达时再来读取或写入数据 |
| 多路转接 | 让大批线程等待，自身读取数据 |
| 异步通信 | 让其他进程或线程进行等待和读取，自身获取结果 |
1.1 阻塞IO
执行流在某个文件描述符下读取数据时，执行流一直等待IO条件就绪后读取数据，这就是阻塞IO。
1.2 非阻塞IO
执行流会以循环的方式反复尝试读取数据，如果IO条件未就绪，执行流会直接返回继续其他任务。
非阻塞读取方式
可通过fcntl设置文件的状态。
非阻塞读取时，数据未就绪是以出错的形式返回的，错误码为EAGIN或EWOULDBLOCK，信号导致读取未成功错误码为EINTR。
void set_nonblock(int fd)
{
int fl = fcntl(fd, F_GETFL);
if (fl < 0) {
perror("fcntl failed");
return;
}
if (fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK) < 0) {
perror("fcntl failed");
return;
}
}
int main() {
set_nonblock(0);
char buf[64] = {0};
while (true) {
ssize_t n = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
if (n > 0)
{
buf[n - 1] = 0;
std::cout << buf << std::endl;
}
else if (n == 0)
{
perror("end of file");
break;
}
else
{
if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) // 非阻塞数据未就绪返回
continue;
else if (errno == EINTR) // IO被信号中断返回
continue;
else
{
perror("read error");
break;
}
}
}
return 0;
}
较为鸡肋，一般不用。
1.3 信号驱动
IO事件就绪时，内核通过SIGIO信号通知进程。等待的过程是异步的，但拷贝数据是同步的，所以我们认为信号驱动也是同步IO。
但信号处理是异步的，所以数据提取可能不及时。
1.4 多路转接
内核提供select、poll、epoll等多路转接方案，最高可同时等待几百个文件。拷贝数据的任务仍由进程完成，等待数据的任务交给内核。
1.5 异步通信
只要自身完全没有参与IO等待和拷贝就是异步通信，否则就是同步。
将缓冲区提供给异步接口，接口等待并拷贝将数据至缓冲区，最后通知进程。进程不参与IO可直接处理数据，所以是异步的。
异步IO系统提供有一些对应的系统接口，但大多使用复杂，也不建议使用。异步IO也有更好的替代方案。
IO事件就绪
IO事件就绪可分为读事件就绪和写事件就绪。
一般接收缓冲区设有高水位，高于该水位读事件就绪，发送缓冲区设有低水位，低于该水位写事件就绪。
因为频繁读写内核缓冲区需要状态切换，会附带一系列的处理工作，导致效率下降。
2. 多路转接
Linux下多路转接的方案常见的有三种：select、poll、epoll，select出现是最早的，使用也是最繁琐的。
2.1 select
select的接口
select能够等待多个fd的IO条件是否就绪。
#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set* rfds, fd_set* wfds, fd_set* efds, struct timeval* timeout);
struct timeval {
time_t tv_sec; /* seconds */
suseconds_t tv_usec; /* microseconds */
};
| 参数 | 解释 |
|---|---|
nfds |
fd的总个数，select遍历fdset结构的范围（被等待的fd的最大值+1） |
readfds |
调用时表示需要关注的读事件，返回时表示那些事件已经就绪 |
writefds |
调用时表示需要关注的写事件，返回时表示那些事件已经就绪 |
exceptfds |
调用时表示需要关注的异常事件，返回时表示那些事件已经就绪。如对端关闭，读写异常等 |
timeout |
调用时表示本次调用阻塞等待时间，返回时表示此次返回剩余的等待时间 |
| 返回值 | 大于0表示就绪fd的个数，为0表示本次调用结束，–1表示出错 |
fd_set的接口
fd_set是文件描述符的位图结构，下标表示文件描述符，比特位内容表示是否需要等待。
// fd_set操作函数
void FD_CLR (int fd, fd_set *set); // 清除
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 检测
void FD_SET (int fd, fd_set *set); // 设置
void FD_ZERO ( fd_set *set); // 置零
select的使用
const int GPORT = 8080;
const int GSIZE = 10;
enum event_type {
read_event = 0x1 << 1,
write_event = 0x1 << 2,
except_event = 0x1 << 3,
};
struct fd_collection {
fd_collection() {}
fd_collection(const fd_collection& fds) {
_rfds = fds._rfds, _wfds = fds._wfds, _efds = fds._efds, _maxfd = fds._maxfd;
}
bool set(int event, int fd) {
if (_fdarr.size() >= GSIZE) return false;
if (event & read_event) _rfds.set(fd);
if (event & write_event) _wfds.set(fd);
if (event & except_event) _wfds.set(fd);
_fdarr.push_back(fd);
if (_maxfd < fd) _maxfd = fd;
return true;
}
void clear(int fd) {
_rfds.clear(fd);
_wfds.clear(fd);
_efds.clear(fd);
for (int i = 0; i < _fdarr.size(); i++)
if (_fdarr[i] == fd) _fdarr[i] = -1;
}
class file_descptrs {
public:
file_descptrs() { bzero(); }
~file_descptrs() {}
void set (int fd) { FD_SET(fd, &_set); }
void clear(int fd) { FD_CLR(fd, &_set); }
bool isset(int fd) { return FD_ISSET(fd, &_set); }
void bzero() { FD_ZERO(&_set); }
fd_set* get() { return &_set; }
private:
fd_set _set;
};
file_descptrs _rfds;
file_descptrs _wfds;
file_descptrs _efds;
std::vector<int> _fdarr;
int _maxfd = -1;
};
class select_server : public inet::tcp::server {
public:
select_server(uint16_t port) : server(port), _wouldblock(true)
{}
select_server(uint16_t port, int sec, int usec) : server(port), _timeout({sec, usec})
{}
void start() {
_fds.set(read_event, _sock);
while (true) {
int n = 0;
struct timeval timeout = _timeout;
fd_collection fds_cp(_fds);
if (_wouldblock)
n = select(fds_cp._maxfd+1, fds_cp._rfds.get(), fds_cp._wfds.get(), fds_cp._efds.get(), nullptr);
else
n = select(fds_cp._maxfd+1, fds_cp._rfds.get(), fds_cp._wfds.get(), fds_cp._efds.get(), &timeout);
switch (n) {
case 0: INFO("time out: %.2f", timeout.tv_sec + timeout.tv_usec / 1.0 / 1000);
break;
case -1: ERROR("select error, %d %s", errno, strerror(errno));
break;
default: handler_event(fds_cp);
break;
}
}
}
private:
void handler_event(fd_collection& resfds) {
for (auto fd : _fds._fdarr) {
if (fd == -1) continue;
if (resfds._rfds.isset(fd)) {
if (fd == _sock) {
acceptor();
} else {
std::string buf;
recver(fd, &buf);
}
}
if (resfds._wfds.isset(fd)) {
std::string msg = "test";
sender(fd, msg);
}
if (resfds._efds.isset(fd)) {
WARN("excepton event occurred, fd: %d", fd);
}
}
}
void acceptor() {
std::string cip;
uint16_t cport;
int sock = accept(&cip, &cport);
INFO("a connect %d has been accepted [%s:%d]", sock, cip.c_str(), cport);
// if (!_fds.set(read_event | write_event | except_event, sock))
if (!_fds.set(read_event, sock)) {
close(sock);
WARN("connect close, fd array is full");
}
}
void recver(int fd, std::string* buf) {
ssize_t s = recv(fd, buf, 1024);
if (s > 0) {
std::cout << *buf << std::endl;
}
else {
if (s == 0) INFO("client quit");
else WARN("recv error, %d %s", errno, strerror(errno));
_fds.clear(fd);
close(fd);
}
}
void sender(int fd, const std::string& msg) {
size_t s = send(fd, msg);
if (s <= 0) {
if (s == 0) INFO("client quit");
else WARN("send error, %d %s", errno, strerror(errno));
_fds.clear(fd);
close(fd);
}
}
private:
bool _wouldblock;
struct timeval _timeout;
fd_collection _fds;
};
select的优缺点
| 优点 |
|---|
| 一次等待多个fd，使IO等待时间重叠，一定程度上提高IO效率 |
| 缺点 |
| 调用前要重新设置fd集，调用后要遍历检测就绪fd，需要额外数组 |
| select能够检测fd的个数上限太小 |
| 频繁地将用户数据拷贝到内核中 |
| select内部遍历fd_set结构以检测就绪 |
2.2 poll
poll相比select在使用和实现上都有进步。不过重点是epoll。
poll的接口
#include <poll.h>
int poll(struct pollfd* fds, nfds_t nfds, int timeout);
struct pollfd {
int fd; /* file descriptor */
short events; /* events to look for */
short revents; /* events returned */
};
| 参数 | 解释 |
|---|---|
timeout |
阻塞等待时间，不过采用整数单位是毫秒。 |
struct pollfd* 和nfds_t |
pollfd结构体数组以及数据长度 |
struct pollfd.fd：关注的文件描述符 |
|
struct pollfd.events：关注的事件类型 |
|
struct pollfd.revents：就绪的事件类型 |
| 事件类型 | 描述 |
|---|---|
POLLIN |
数据（包括普通数据和优先数据）可读 |
POLLRDNORM |
普通数据可读 |
POLLRDBAND |
优先级带数据可读（Linux 不支持） |
POLLPRI |
高优先级数据可读，比如 TCP 带外数据 |
POLLOUT |
数据（包括普通数据和优先数据）可写 |
POLLWRNORM |
普通数据可写 |
POLLWRBAND |
优先级带数据可写 |
POLLRDHUP |
TCP 连接被对方关闭，或者对方关闭了写操作，它由GNU引入 |
POLLERR |
错误 |
POLLHUP |
挂起。比如管道的写端被关闭后，读端描述符将收到 POLLHUP 事件 |
POLLNVAL |
文件描述符没有打开 |
poll的使用
const int default_port = 8080;
const int default_size = 20;
const int default_timeout = -1;
const int default_fd = -1;
const short default_event = 0;
class poll_server : public inet::tcp::server {
public:
poll_server(uint16_t port) : server(port), _fds(new struct pollfd[default_size])
, _cap(0), _timeout(default_timeout) {
pollfd_arr_init();
}
void pollfd_arr_init() {
for (int i = 0; i < default_size; i++) pollfd_init(_fds[i]);
}
void pollfd_init(struct pollfd& pf) {
pf.fd = default_fd;
pf.events = default_event;
pf.revents = default_event;
}
void pollfd_clear(struct pollfd& pf) {
pf.fd = default_fd;
pf.events = default_event;
pf.revents = default_event;
}
void start() {
_fds[0].fd = _sock;
_fds[0].events = POLLIN;
++_cap;
while (true) {
int timeout = _timeout;
switch (poll(_fds.get(), _cap, timeout)) {
case 0: INFO("time out: %d", timeout); break;
case -1: ERROR("select error, %d %s", errno, strerror(errno)); break;
default: event_handler(); break;
}
}
}
private:
void event_handler() {
for (int i = 0; i < _cap; i++) {
auto& fd = _fds[i].fd;
auto& revents = _fds[i].revents;
if (revents & POLLIN) {
if (fd == _sock) {
acceptor();
} else {
std::string buf;
recver(i, &buf);
}
}
if (revents & POLLOUT) {
std::string msg = "test";
sender(i, msg);
}
if (revents & POLLERR){
WARN("excepton event occurred, fd: %d", fd);
}
}
}
void acceptor() {
std::string cip;
uint16_t cport;
int newfd = accept(&cip, &cport);
if (_cap >= default_size) {
close(newfd);
WARN("connect close, fd array is full");
return;
}
for (int i = 0; i < default_size; i++) {
if (_fds[i].fd == default_fd) {
_fds[i].fd = newfd;
_fds[i].events = POLLIN | POLLOUT;
_cap++;
break;
}
}
INFO("a connect %d has been accepted [%s:%d]", newfd, cip.c_str(), cport);
}
void recver(int i, std::string* buf) {
ssize_t s = recv(_fds[i].fd, buf, 1024);
if (s > 0) {
std::cout << *buf << std::endl;
} else {
if (s == 0) INFO("client quit");
else WARN("recv error, %d %s", errno, strerror(errno));
close(_fds[i].fd);
pollfd_clear(_fds[i]);
--_cap;
}
}
void sender(int i, const std::string& msg) {
size_t s = send(_fds[i].fd, msg);
if (s <= 0) {
if (s == 0) INFO("client quit");
else WARN("send error, %d %s", errno, strerror(errno));
close(_fds[i].fd);
pollfd_clear(_fds[i]);
--_cap;
}
}
private:
std::unique_ptr<struct pollfd[]> _fds;
int _cap;
int _timeout;
};
poll的优缺点
| 优点 |
|---|
| 监视fd的个数无上限 |
| 将事件输入输出分离，避免原始数据被修改 |
| 缺点 |
| 返回后仍需要遍历数组检测就绪事件 |
| poll内部仍需要内核自己遍历检测就绪事件 |
| 每次调用都要将pollfd结构从内核空间拷贝到用户空间 |
2.3 epoll
epoll的接口
#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);
typedef union epoll_data {
void* ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;
struct epoll_event {
uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};
| epoll_create | 负责创建epoll模型 |
|---|---|
size |
目前size被忽略，为兼容可写128/256 |
| 返回值 | epoll句柄 |
| epoll_ctl | 负责用户告诉内核那些事件需要关注 |
epfd |
epoll句柄 |
op |
指定相关操作 |
EPOLL_CTL_ADD：添加事件 |
|
EPOLL_CTL_MOD：修改事件 |
|
EPOLL_CTL_DEL：删除事件 |
|
fd |
事件关注的文件描述符 |
epoll_event |
用来指定fd上关注的事件 |
| epoll_wait | 负责内核告诉用户那些事件就绪 |
epfd |
epoll句柄 |
epoll_event |
输出缓冲区，存放已就绪的事件 |
maxevents |
缓冲区的长度 |
timeout |
阻塞等待的时间 |
| 返回值 | 就绪事件的个数 |
| events宏常量取值 | 解释 |
|---|---|
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（带外数据） |
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 |
EPOLLONESHOT |
只监听一次事件，本次之后自动将该fd删去 |
epoll的使用
epoll的原理
- epoll模型中用红黑树保存注册的fd和事件，用就绪队列保存就绪的fd和事件。
- epoll_ctl的本质就是新增修改删除红黑树的节点，并对fd对应的文件中注册回调函数。
- 如果事件就绪，内核在将硬件数据拷贝至内核缓冲区后，还会自动执行回调将红黑树节点添加到就绪队列中。
- epoll_wait负责检查是否有事件就绪，本质就是检测就绪队列为空。
epoll的工作模式
epoll有两种工作方式，分别是水平触发LT和边缘触发ET。
LTET的概念
- LT水平触发：只要事件一直就绪，就会一直通知。
- ET边缘触发：只有事件就绪或再次就绪时，才会通知一次。
LT水平触发
事件就绪时，可以不立刻处理或只部分处理。
只要事件处于就绪状态，每次调用epoll_wait都会通知该事件就绪，直到处理完毕处于未就绪状态。
ET边缘触发
设置事件为EPOLLET，表示对于该事件使用ET模式。
事件就绪时必须一次性处理清空数据，否则下次是不会通知该事件就绪的，直到该事件再次就绪。
LTET的读写特点
数据剩余ET不会提醒，所以必须一次性读取所有数据，但如果读取时刚好无数据就会被阻塞。 所以ET必须采用非阻塞读写。
LT模式事件就绪时读取一定不会被阻塞，因为一定有数据。
LTET的效率对比
一般ET的效率>=LT的效率。原因如下：
- 一般ET通知次数比LT少，也就是系统调用次数少。
- ET会倒逼程序员一次读取全部数据，所以底层TCP会更新出更大的滑动窗口。
LTET的应用场景
- ET要求程序必须一次性读取所有数据，再让上层处理，ET重IO效率。
- LT可以只交付部分数据，尽快让上层处理，LT重处理效率。
ET高IO，LT高响应。
epoll的优缺点
| 优点 | 解释 |
|---|---|
| 接口分离解耦 | 每次调用不需要重新设置事件集，做到输入输出事件分离 |
| 使用简单高效 | 调用后用户不需要遍历，内核提供就绪事件缓冲区 |
| 轻量数据拷贝 | 不需要频繁的进行将数据从内核和用户之间的拷贝 |
| 无遍历效率高 | 底层不需要遍历，利用回调将就绪事件添加到就绪队列中 |
| 没有数量限制 | 文件描述符数目无上限 |
epoll的写入设置
- 只有读取缓冲区有数据，读事件才会就绪。所以读事件可以一直关注，我们称为常设置。
- 只要写入缓冲区没有满，写事件就一直就绪。所以写事件按需设置，写入完成后立即关闭，否则会一直触发。
一般构建响应后，直接发送数据，只有当缓冲区满的时候，再将没写完的数据交给epoll处理。
select、poll、epoll都是如此，但epoll的ET模式可以常设置写事件。
