epoll简介及触发模式(accept、read、send)

简介:

  1、epoll的简单介绍

   2、epoll在LT和ET模式下的读写方式

 

一、epoll的接口非常简单,一共就三个函数:
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);

EPOLLIN事件:
EPOLLIN事件则只有当对端有数据写入时才会触发,所以触发一次后需要不断读取所有数据直到读完EAGAIN为止。否则剩下的数据只有在下次对端有写入时才能一起取出来了。
现在明白为什么说epoll必须要求异步socket了吧?如果同步socket,而且要求读完所有数据,那么最终就会在堵死在阻塞里。


EPOLLOUT:表示对应的文件描述符可以写;

EPOLLOUT事件
EPOLLOUT事件只有在连接时触发一次,表示可写,其他时候想要触发,那要先准备好下面条件:
1.某次write,写满了发送缓冲区,返回错误码为EAGAIN。
2.对端读取了一些数据,又重新可写了,此时会触发EPOLLOUT。
简单地说:EPOLLOUT事件只有在不可写到可写的转变时刻,才会触发一次,所以叫边缘触发,这叫法没错的!
其实,如果真的想强制触发一次,也是有办法的,直接调用epoll_ctl重新设置一下event就可以了,event跟原来的设置一模一样都行(但必须包含EPOLLOUT),关键是重新设置,就会马上触发一次EPOLLOUT事件。
1. 缓冲区由满变空.
2.同时注册EPOLLIN | EPOLLOUT事件,也会触发一次EPOLLOUT事件
这个两个也会触发EPOLLOUT事件

 

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。

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从man手册中,得到ET和LT的具体描述如下

EPOLL事件有两种模型:
Edge Triggered (ET)
Level Triggered (LT)

假如有这样一个例子:
1. 我们已经把一个用来从管道中读取数据的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符
2. 这个时候从管道的另一端被写入了2KB的数据
3. 调用epoll_wait(2),并且它会返回RFD,说明它已经准备好读取操作
4. 然后我们读取了1KB的数据
5. 调用epoll_wait(2)......

Edge Triggered 工作模式:
如果我们在第1步将RFD添加到epoll描述符的时候使用了EPOLLET标志,那么在第5步调用epoll_wait(2)之后将有可能会挂起,因为剩余的数据还存在于文件的输入缓冲区内,而且数据发出端还在等待一个针对已经发出数据的反馈信息。只有在监视的文件句柄上发生了某个事件的时候 ET 工作模式才会汇报事件。因此在第5步的时候,调用者可能会放弃等待仍在存在于文件输入缓冲区内的剩余数据。在上面的例子中,会有一个事件产生在RFD句柄上,因为在第2步执行了一个写操作,然后,事件将会在第3步被销毁。因为第4步的读取操作没有读空文件输入缓冲区内的数据,因此我们在第5步调用 epoll_wait(2)完成后,是否挂起是不确定的。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。最好以下面的方式调用ET模式的epoll接口,在后面会介绍避免可能的缺陷。
   i    基于非阻塞文件句柄
   ii   只有当read(2)或者write(2)返回EAGAIN时才需要挂起,等待。但这并不是说每次read()时都需要循环读,直到读到产生一个EAGAIN才认为此次事件处理完成,当read()返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时,就可以确定此时缓冲中已没有数据了,也就可以认为此事读事件已处理完成。

Level Triggered 工作模式
相反的,以LT方式调用epoll接口的时候,它就相当于一个速度比较快的poll(2),并且无论后面的数据是否被使用,因此他们具有同样的职能。因为即使使用ET模式的epoll,在收到多个chunk的数据的时候仍然会产生多个事件。调用者可以设定EPOLLONESHOT标志,在 epoll_wait(2)收到事件后epoll会与事件关联的文件句柄从epoll描述符中禁止掉。因此当EPOLLONESHOT设定后,使用带有 EPOLL_CTL_MOD标志的epoll_ctl(2)处理文件句柄就成为调用者必须作的事情。


然后详细解释ET, LT:

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(这句话不理解)。

在许多测试中我们会看到如果没有大量的idle -connection或者dead-connection,epoll的效率并不会比select/poll高很多,但是当我们遇到大量的idle- connection(例如WAN环境中存在大量的慢速连接),就会发现epoll的效率大大高于select/poll。(未测试)



另外,当使用epoll的ET模型来工作时,当产生了一个EPOLLIN事件后,
读数据的时候需要考虑的是当recv()返回的大小如果等于请求的大小,那么很有可能是缓冲区还有数据未读完,也意味着该次事件还没有处理完,所以还需要再次读取:

这里只是说明思路(参考《UNIX网络编程》)

while(rs)
{
  buflen
= recv(activeevents[i].data.fd, buf, sizeof(buf), 0);
  if(buflen < 0)
  {
    // 由于是非阻塞的模式,所以当errno为EAGAIN时,表示当前缓冲区已无数据可读
    // 在这里就当作是该次事件已处理处.
    if(errno == EAGAIN)
      break;   else       return;   }

  else if(buflen == 0) { // 这里表示对端的socket已正常关闭. } if(buflen == sizeof(buf)   rs = 1; // 需要再次读取 else   rs = 0; }

 

还有,假如发送端流量大于接收端的流量(意思是epoll所在的程序读比转发的socket要快),由于是非阻塞的socket,那么send()函数虽然返回,但实际缓冲区的数据并未真正发给接收端,这样不断的读和发,当缓冲区满后会产生EAGAIN错误(参考man send),同时,不理会这次请求发送的数据.所以,需要封装socket_send()的函数用来处理这种情况,该函数会尽量将数据写完再返回,返回-1表示出错。在socket_send()内部,当写缓冲已满(send()返回-1,且errno为EAGAIN),那么会等待后再重试.这种方式并不很完美,在理论上可能会长时间的阻塞在socket_send()内部,但暂没有更好的办法.

ssize_t socket_send(int sockfd, const char* buffer, size_t buflen)
{
    ssize_t tmp;
    size_t total = buflen;
    const char *p = buffer;

    while(1)
    {   
        tmp = send(sockfd, p, total, 0); 
        if(tmp < 0)
        {   
            // 当send收到信号时,可以继续写,但这里返回-1.
            if(errno == EINTR)
                return -1; 

            // 当socket是非阻塞时,如返回此错误,表示写缓冲队列已满,
            // 在这里做延时后再重试.
            if(errno == EAGAIN)
            {   
                usleep(1000);
                continue;

            }   

            return -1; 

        }   

        if((size_t)tmp == total)
            return buflen;

        total -= tmp;
        p += tmp;

   }

    return tmp;

 }

 

二、epoll在LT和ET模式下的读写方式

在一个非阻塞的socket上调用read/write函数, 返回EAGAIN或者EWOULDBLOCK(注: EAGAIN就是EWOULDBLOCK)

从字面上看, 意思是:

 

* EAGAIN: 再试一次

* EWOULDBLOCK: 如果这是一个阻塞socket, 操作将被block

* perror输出:  Resource temporarily unavailable

 

总结:

这个错误表示资源暂时不够, 可能read时, 读缓冲区没有数据, 或者, write时,写缓冲区满了 。

遇到这种情况, 如果是阻塞socket, read/write就要阻塞掉。

而如果是非阻塞socket, read/write立即返回-1, 同 时errno设置为EAGAIN.

所以, 对于阻塞socket, read/write返回-1代表网络出错了.

但对于非阻塞socket, read/write返回-1不一定网络真的出错了.

可能是Resource temporarily unavailable. 这时你应该再试, 直到Resource available.

 

综上, 对于non-blocking的socket,  正确的读写操作为:

读: 忽略掉errno = EAGAIN的错误, 下次继续读 

写: 忽略掉errno = EAGAIN的错误, 下次继续写 

 

对于select和epoll的LT模式, 这种读写方式是没有问题的. 但对于epoll的ET模式, 这种方式还有漏洞.

 

epoll的两种模式 LT 和 ET

二者的差异在于 level-trigger 模式下只要某个 socket 处于 readable/writable 状态,无论什么时候

进行 epoll_wait 都会返回该 socket;而 edge-trigger 模式下只有某个 socket 从 unreadable 变为 readable 或从

unwritable 变为 writable 时,epoll_wait 才会返回该 socket。如下两个示意图:

从socket读数据:

 

 

 

往socket写数据

所以, 在epoll的ET模式下, 正确的读写方式为:

读: 只要可读, 就一直读, 直到返回0, 或者 errno = EAGAIN

写: 只要可写, 就一直写, 直到数据发送完, 或者 errno = EAGAIN

 

正确的读:

n = 0;
while ((nread = read(fd, buf + n, BUFSIZ-1)) > 0) {
    n += nread;
}
if (nread == -1 && errno != EAGAIN) {
    perror("read error");
}

 

 正确的写:

int nwrite, data_size = strlen(buf);  
n = data_size;  
while (n > 0) {  
    nwrite = write(fd, buf + data_size - n, n);  
    if (nwrite < n) {  
        if (nwrite == -1 && errno != EAGAIN) {  
            perror("write error");  
        }  
        break;  
    }  
    n -= nwrite;  
}  

 

正确的accept,accept 要考虑 2 个问题

(1) 阻塞模式 accept 存在的问题

考虑这种情况: TCP 连接被客户端夭折,即在服务器调用 accept 之前,客户端主动发送 RST 终止

连接,导致刚刚建立的连接从就绪队列中移出,如果套接口被设置成阻塞模式,服务器就会一直阻塞

在 accept 调用上,直到其他某个客户建立一个新的连接为止。但是在此期间,服务器单纯地阻塞在

accept 调用上,就绪队列中的其他描述符都得不到处理.

 

解决办法是把监听套接口设置为非阻塞,当客户在服务器调用 accept 之前中止某个连接时,accept 调用

可以立即返回 -1, 这时源自 Berkeley 的实现会在内核中处理该事件,并不会将该事件通知给 epoll,

而其他实现把 errno 设置为 ECONNABORTED(A connection has been aborted.) 或者 EPROTO(Protocol error.) 错误,我们应该忽略这两个错误。

 

(2) ET 模式下 accept 存在的问题

考虑这种情况:多个连接同时到达,服务器的 TCP 就绪队列瞬间积累多个就绪连接,由于是边缘触发模式,

 epoll 只会通知一次,accept 只处理一个连接,导致 TCP 就绪队列中剩下的连接都得不到处理。

 

 解决办法是用 while 循环抱住 accept 调用,处理完 TCP 就绪队列中的所有连接后再退出循环。如何知道

 是否处理完就绪队列中的所有连接呢? accept  返回 -1 并且 errno 设置为 EAGAIN 就表示所有连接都处理完。

 

综合以上两种情况,服务器应该使用非阻塞地 accept, accept 在 ET 模式下 的正确使用方式为:

while ((conn_sock = accept(listenfd,(struct sockaddr *) &remote, (size_t *)&addrlen)) > 0)   
{  
     handle_client(conn_sock);  
} 
if (conn_sock == -1) {  
    if (errno != EAGAIN && 
      errno != ECONNABORTED &&
      errno != EPROTO &&
      errno != EINTR) perror("accept"); }

 

一道腾讯后台开发的面试题

使用Linux epoll模型,水平触发模式;当socket可写时,会不停的触发 socket 可写的事件,如何处理?

 

第一种最普遍的方式:

需要向 socket 写数据的时候才把 socket 加入 epoll ,等待可写事件。

接受到可写事件后,调用 write 或者 send 发送数据。。。

当所有数据都写完后,把 socket 移出 epoll。

 

这种方式的缺点是,即使发送很少的数据,也要把 socket 加入 epoll,写完后在移出 epoll,有一定操作代价。

 

一种改进的方式:

开始不把 socket 加入 epoll,需要向 socket 写数据的时候,直接调用 write 或者 send 发送数据。

如果返回 EAGAIN,把 socket 加入 epoll,在 epoll 的驱动下写数据,全部数据发送完毕后,再移出 epoll。

 

这种方式的优点是:数据不多的时候可以避免 epoll 的事件处理,提高效率。

 

最后贴一个使用epoll, ET模式的简单HTTP服务器代码:

#include <sys/socket.h>  
#include <sys/wait.h>  
#include <netinet/in.h>  
#include <netinet/tcp.h>  
#include <sys/epoll.h>  
#include <sys/sendfile.h>  
#include <sys/stat.h>  
#include <unistd.h>  
#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <strings.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <errno.h>   
  
#define MAX_EVENTS 10  
#define PORT 8080  
  
//设置socket连接为非阻塞模式  
void setnonblocking(int sockfd) {  
    int opts;  
  
    opts = fcntl(sockfd, F_GETFL);  
    if(opts < 0) {  
        perror("fcntl(F_GETFL)\n");  
        exit(1);  
    }  
    opts = (opts | O_NONBLOCK);  
    if(fcntl(sockfd, F_SETFL, opts) < 0) {  
        perror("fcntl(F_SETFL)\n");  
        exit(1);  
    }  
}  
  
int main(){  
    struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];  
    int addrlen, listenfd, conn_sock, nfds, epfd, fd, i, nread, n;  
    struct sockaddr_in local, remote;  
    char buf[BUFSIZ];  
  
    //创建listen socket  
    if( (listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {  
        perror("sockfd\n");  
        exit(1);  
    }  
    setnonblocking(listenfd);  
    bzero(&local, sizeof(local));  
    local.sin_family = AF_INET;  
    local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);;  
    local.sin_port = htons(PORT);  
    if( bind(listenfd, (struct sockaddr *) &local, sizeof(local)) < 0) {  
        perror("bind\n");  
        exit(1);  
    }  
    listen(listenfd, 20);  
  
    epfd = epoll_create(MAX_EVENTS);  
    if (epfd == -1) {  
        perror("epoll_create");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    ev.events = EPOLLIN;  
    ev.data.fd = listenfd;  
    if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev) == -1) {  
        perror("epoll_ctl: listen_sock");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    for (;;) {  
        nfds = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1);  
        if (nfds == -1) {  
            perror("epoll_pwait");  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        }  
  
        for (i = 0; i < nfds; ++i) {  
            fd = events[i].data.fd;  
            if (fd == listenfd) {  
                while ((conn_sock = accept(listenfd,(struct sockaddr *) &remote,   
                                (size_t *)&addrlen)) > 0) {  
                    setnonblocking(conn_sock);  
                    ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;  
                    ev.data.fd = conn_sock;  
                    if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, conn_sock,  
                                &ev) == -1) {  
                        perror("epoll_ctl: add");  
                        exit(EXIT_FAILURE);  
                    }  
                }  
                if (conn_sock == -1) {  
                    if (errno != EAGAIN && errno != ECONNABORTED   
                            && errno != EPROTO && errno != EINTR)   
                        perror("accept");  
                }  
                continue;  
            }    
            if (events[i].events & EPOLLIN) {  
                n = 0;  
                while ((nread = read(fd, buf + n, BUFSIZ-1)) > 0) {  
                    n += nread;  
                }  
                if (nread == -1 && errno != EAGAIN) {  
                    perror("read error");  
                }  
                ev.data.fd = fd;  
                ev.events = events[i].events | EPOLLOUT;  
                if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev) == -1) {  
                    perror("epoll_ctl: mod");  
                }  
            }  
            if (events[i].events & EPOLLOUT) {  
                sprintf(buf, "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Length: %d\r\n\r\nHello World", 11);  
                int nwrite, data_size = strlen(buf);  
                n = data_size;  
                while (n > 0) {  
                    nwrite = write(fd, buf + data_size - n, n);  
                    if (nwrite < n) {  
                        if (nwrite == -1 && errno != EAGAIN) {  
                            perror("write error");  
                        }  
                        break;  
                    }  
                    n -= nwrite;  
                }  
                close(fd);  
            }  
        }  
    }  
  
    return 0;  
}  

 

posted @ 2017-04-17 19:41  留下的只是回忆  阅读(...)  评论(... 编辑 收藏