【计算机网络】多路复用的三种方案

文章目录

  • 1. select
    • select函数
    • select的工作特性
    • select的缺点
  • 2. poll
    • poll函数
    • poll与select的对比
  • 3. epoll
    • epoll的三个接口
    • epoll的工作原理
    • epoll的优点
    • LT和ET模式
    • epoll的应用场景


🔎Linux提供三种不同的多路转接(又称多路复用)的方案,分别是:select,poll和epoll。它们表现为不同的系统调用接口。

前置知识:“IO事件就绪”

即读事件就绪或写事件就绪

  • 读事件就绪,指接收缓冲区中有数据可以读取
  • 写事件就绪,指发送缓冲区中有空间可以写入

1. select

select是Linux中用于同时监视多个文件描述符是否就绪的系统调用接口,当程序运行到select调用处,默认会阻塞等待(也可以设为非阻塞)监视的文件描述符至少有一个IO事件就绪为止。

select函数

#include <sys/select.h>int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

参数介绍:

  • nfds:需要监视的文件描述符最大值+1;
  • readfds/writefds/exceptfds:分别是监视的读文件描述符集合,写文件描述符集合,异常文件描述符集合。这三个fd_set*类型的参数是输入输出型函数,如:你需要关心某个fd的读事件,就将其设置到readfds中并调用select,select返回时,若该fd的读事件就绪,则readfds存在该fds,否则不存在。writefdsexceptfds同理。总而言之,这三个参数既让用户告知内核"我"要关心哪个文件fd,又让内核向用户通知哪些文件fd的哪些事件已就绪。
  • timeout:select等待超时时间,设为nullptr则为阻塞等待。

返回值:

  • 成功,则返回三个fd_set中事件就绪的fd的个数,若为0,表示超时timeout了也没有fd的事件就绪

  • 失败,返回-1,错误码被设置,此时参数readfds, writefds,exceptfds和timeout的值失效

fd_set结构:

fd_set底层是一个long int的数组,上层视作一个位图结构,每个比特位,下标代表文件fd,内容表示fd是否有效。若调用select时,参数readfds的位图结构为...00001000 (前面全0省略),则表示用户需要监视3号文件描述符的读事件,select返回时,若readfds依然为...00001000,表示3号文件描述符读事件就绪,否则未就绪。

在这里插入图片描述

提供了一组操作fd_set的接口,来比较方便的操作位图

void FD_CLR(int fd, fd_set *set);  // 将fd从set中去除
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);// 判断fd是否存在于set中
void FD_SET(int fd, fd_set *set);  // 将fd设置入set中
void FD_ZERO(fd_set *set);		   // 清空set

select的工作特性

  1. select在内核中会去遍历三个fd_set,对于每个fd,若用户关心,则检测该fd的对应事件是否就绪,就绪则比特位置1,反之置0,若用户不关心,则跳过。参数nfds是底层遍历的终点。这种遍历在阻塞情况下会持续进行,直到检测到有一个或多个fd的IO事件就绪为止。

  2. select能够监视的文件fd是有限的,这受限于fd_set的大小,fd个数 = sizeof(fd_set) * 8。不同环境下的fd_set大小不同,在我的本地测试sizeof(fd_set) = 128,那么能够监视的fd个数即为1024。

  3. 将关心的fd加入select的监控集合后,还需要在上层维护一个数组array来保存这些关心的fd。原因如下:

    • 一,select的三个fd_set都是输入输出型参数,那么select前设置的fd,在select后可能就不存在了(因为该fd的事件未就绪),因此每次select之前都需要重置fd_set,重置就需要有一个数组array始终保存着用户关心的fd。

    • 二,select返回后,用户需要手动遍历fd_set,判断哪些fd已就绪(FD_ISSET),而上层保存fd的数组array就是判断的根据。

select的缺点

  1. 每次select之前都要手动重置fd_set,太麻烦了
  2. 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
  3. 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
  4. select支持的文件描述符数量太小

2. poll

poll的作用和工作特性与select基本相同,但使用方法不同。

poll函数

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

poll以结构体struct pollfd的形式规定了监视的fd,其中包含更多信息。

在这里插入图片描述

fd:监视的fd

events:这是用户设置的,用于用户告知内核本fd要监视什么事件,是输入型参数

revents:这是poll函数返回的,用于内核通知用户本fd的哪些事件已就绪,是输出型参数

events/revents的事件类型:

POLLIN:读事件

POLLOUT:写事件

POLLERR:错误异常

POLLHUP:挂起异常,可能是对端关闭了连接

以上事件类型都是<poll.h>中定义的宏,events/revents可以同时承载多个事件,只需多个事件类型进行与操作即可。

poll的参数介绍

  • fdsstruct pollfd类型的指针,指向一段连续存放多个pollfd的空间。fds由用户自己维护。
  • nfds:fds指向空间的大小
  • timeout:超时时间,单位是毫秒ms

💭一些小细节:

  1. 在pollfd中,若fd为负数,则events无效,调用poll后,revents被设为0
  2. 在pollfd中,若events为0,表示不关心该fd上的任何时间,那么调用poll后,revents也将被设为0。
  3. poll只会监视fd用户关心的事件,并通过revents返回

poll的返回值:

  • 成功,返回有事件就绪的fd的个数,即revents不为0的pollfd的个数。若为0,表示超时timeout了也没有fd的事件就绪。
  • 失败,返回-1,错误码被设置。

poll与select的对比

  1. poll相比于select的优势有两点:
    • 输入与输出分离,不用在每次调用poll前手动设置关心的fd
    • 能够关心的fd个数不受限制,fds指向的空间用户可以扩容,参数nfds也可以修改
  2. 与select一样存在频繁遍历的劣势。监视的fd一多,每次调用poll,要将大量的pollfd结构从用户态拷贝到内核中,内核要遍历传递进来的所有pollfd结构,检查有哪些事件就绪。每次poll返回,都需要遍历上层维护的pollfd结构,根据revents判断哪些fd的什么事件就绪了。
  3. 同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的处于就绪状态,因此随着监视的描述符数量的增长,遍历速度降低,其效率也会线性下降。

3. epoll

epoll是目前公认的效率最高,性能最佳的多路复用组件。

epoll的三个接口

  1. epoll_create

    功能:创建一个epoll模型的句柄,返回该句柄的文件描述符

    函数原型:

    #include <sys/epoll.h>int epoll_create(int size);
    

    注意事项:

    • 自从linux2.6.8之后,size参数是被忽略的,随便给一个就行
    • 使用结束,必须调用close()关闭epoll句柄
  2. epoll_ctl

    功能:对epoll模型进行增、删、改的操作(本质是对红黑树的操作)

    函数原型:

    #include <sys/epoll.h>int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
    

    参数:

    epfd:epoll句柄的文件描述符,由epoll_create获得;

    fd:目标文件描述符;

    op:操作类型,有如下三种:

    • EPOLL_CTL_ADD:将新的fd注册到epoll模型中,表示关心fd的事件发生
    • EPOLL_CTL_MOD:修改fd的关心事件
    • EPOLL_CTL_DEL:将fd从epoll模型中移除,表示不再关心fd的事件发生

    event:struct epoll_event结构体类型如下

               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 */};
    

    events:表示fd关心的事件。events可以是以下几个宏的集合:

    宏名称意义用户设置内核返回
    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
    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

    data:epoll_data类型的联合体,包含文件描述符的信息,可选择四种不同类型表示,一般选用int fd

    返回值:成功返回0,错误返回-1,错误码被设置。

  3. epoll_wait

    功能:等待epoll模型上的就绪事件

    函数原型:

    #include <sys/epoll.h>int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
    

    参数:

    epfd:epoll句柄的文件描述符,由epoll_create获得;

    events:指向一组连续存放的epoll_event结构体,epoll_wait会从内核拷贝已就绪的事件到events指向的空间中;

    maxevents:events最多存epoll_event数量,maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size;

    timeout:超时时间,单位是毫秒ms。-1表示阻塞等待。

    epol_wait的返回值:

    • 成功,返回有事件就绪的fd的个数,即events的单元个数。若为0,表示超时timeout了也没有fd的事件就绪。
    • 失败,返回-1,错误码被设置。

epoll的工作原理

epoll的内核实现,采用所谓的"epoll模型",是由一个红黑树(rbtree)和一个就绪队列(rdlist)组成,用于高效的监控文件描述符的状态变化。在内核中搭建epoll模型(创建rbtree和rdlist),并创建一个eventpoll句柄,用户持有eventpoll句柄的文件描述符,eventpoll句柄存有rbtree的根节点指针和rdlist的头结点指针,能找到内核中的epoll模型。eventpoll句柄成为用户与内核epoll沟通的桥梁。

在这里插入图片描述

🔎epoll的工作机制,由以下三部分构成:

  1. 红黑树rbtree

    根据先描述再组织的管理思想,epoll对于每一个关心的文件描述符,先将其描述为epitem结构体,再挂载到红黑树rbtree当中,并在rbtree中完成各种操作。如:epoll_ctl的EPOLL_CTL_ADD操作,就是先将新的文件描述符描述为一个epitem结构体,再插入到内核epoll的红黑树中。同理,EPOLL_CTL_MOD和EPOLL_CTL_DEL就是对红黑树的改和删的工作。

    struct epitem{struct rb_node rbn;		  //红黑树节点struct list_head rdllink; //双向链表节点struct epoll_filefd ffd;  //文件描述符的句柄信息struct eventpoll *ep; 	  //指向其所属的eventpoll对象struct epoll_event event; //期待发生的事件类型
    }
    

    struct epoll_event是epitem的key值,也是用户告知内核关心事件,内核通知用户就绪事件的结构体。

  2. 就绪队列rdlist

    rdlist就绪队列,其实是一个双向链表结构,用于存放rbtree中已就绪的事件节点。epoll会将rbtree中事件就绪的epitem节点,推送到rdlist中,用户调用epoll_wait实际上就是将rdlist中的就绪事件拷贝到参数events中,时间复杂度为O(1)。值得注意的是,rdlist中的节点并不是rbtree中的副本,“节点从rbtree推送到rdlist”这个动作实际上只是修改节点的连接关系(epitem中的struct list_head rdllink),而不是拷贝一份到rdlist中。

    在这里插入图片描述

    关于rdlist的增与删

    rdlist的增由回调机制决定,当某个fd的IO事件就绪,执行回调函数将fd对应的epitem节点连接到rdlist中。对于LT模式,只要fd的IO事件依然就绪,就继续保留fd对应的epitem节点在rdlist中;对于ET模式,epoll_wait读取一次,就将节点从rdlist中移除。

  3. 回调机制ep_poll_callback

    “节点从rbtree推送到rdlist”是怎么做到的?首先,在调用epoll_ctl注册新的文件描述符时,会为这个文件描述符对应的epitem在底层的注册一个回调函数,这个回调的功能是将节点连接到rdlist中(回调函数注册到fd的文件句柄中)。此后,当底层IO事件就绪(协议栈决定), 检测到对应文件句柄的回调函数存在,就会调用这个回调函数,将epitem节点连接到rdlist中。

epoll的优点

  1. 内核采用红黑树结构管理关心的文件描述符,上层不需要再像select/poll那样自行维护关心的文件描述符,也不需要再手动设置每次要关心的文件描述符。
  2. 红黑树结构的增删查改效率很高(时间复杂度是O(lgN)),不会因为关心fd的增多,导致新文件描述符的添加、关心事件的修改、文件描述符的移除等操作的效率降低。
  3. 不需要再像select/poll那样轮询检测哪些fd的事件就绪,而是采用回调机制将活跃节点连接到rdlist中,用户仅需通过就绪队列rdlist获取就绪事件,这样一来避免了频繁的遍历,即使文件描述符很多,也没有影响。

总而言之,epoll只关注活跃的fd,不会像select/poll一样总是全局扫描所有的fd,这大大提高了它的效率。

LT和ET模式

epoll有两种工作模式,水平触发(LT, Level Triggered)和边缘触发(ET, Edge Triggered)

  • LT模式:只要fd的IO事件一直就绪,就一直通知用户。在epoll底层表现为,一个epitem节点通过回调被连接到rdlist就绪队列中,只要该epitem对应的fd上IO事件还就绪着(比如对于读事件,socket接收缓冲区还有数据),就不会将其从rdlist中移除,因此用户每次调用epoll_wait都能获知该fd上的IO事件就绪。这是epoll的默认工作模式。

  • ET模式只在fd的事件状态变化时通知用户一次。在epoll底层表现为,一个epitem节点通过回调被连接到rdlist就绪队列中,说明该epitem对应的fd上IO事件就绪,这里以读事件为例,用户调用epoll_wait后,获知该fd上的读事件就绪,用户可能把缓冲区中所有数据读完,也可能只读了一部分,epoll不管缓冲区中还有没有数据,即无论fd上的读事件是否依然就绪,fd对应的epitem直接从rdlist中移除,用户下次调用epoll_wait就读不到了。只有在下次新数据包到来时,ET才会再通知上层一次,这就是在“事件状态变化”时通知用户,即边缘触发。

🔎LT与ET的区别

从效率层面

  • 从效率角度来说,ET的效率高于LT。反复通知代表上层要多次调用epoll_wait来获取就绪事件信息,而一次通知只需要一次系统调用,系统调用从用户态到内核态开销较大,ET模式有效地减少了系统调用的次数。

ET与LT的区别更显著地体现在对上层的影响

  • LT会反复通知事件就绪,这样一来,用户可能不会立刻处理事件,而是在需要的时候再处理。

  • ET只会在fd事件状态变化时通知用户一次,这样一来,就倒逼用户必须立刻处理完就绪事件,否则可能会错过事件。例如,fd读事件就绪,接收缓冲区上有2KB的数据,如果是ET模式通知用户,用户收到后就必须尽快将fd接收缓冲区上的所有数据读完,如果这次通知只读了1KB数据,且往后该fd没有新数据到来了,那么剩下的1KB数据就会丢失,因为ET模式不会再通知一次!

  • ET倒逼用户尽快取走数据,本质也是提高效率:使得底层的TCP接收窗口更大,从而在较大概率上使得对端的滑动窗口更大,提高通信效率。

如何设置ET模式?

设置fd的event为EPOLLET即可,这会让epoll对于该fd以ET模式工作。

如何保证一次处理完就绪事件?

以读事件为例,一次处理完读事件,就是一次性将接收缓冲区上的数据全部读完。调用read/recv接口循环读取fd上的数据,默认情况下,如果数据读完了,read/recv会阻塞等待,这样虽然能读完数据,但是上层无法获知。因此,必须使用非阻塞的方式读取数据!以非阻塞方式循环读取数据,当数据读完时,非阻塞read/recv不会挂起等待,而是以错误的形式返回,错误码为 EAGAIN or EWOULDBLOCK,这样一来,用户就可以通过对错误码的判断,获知数据是否读完了。对于写事件也是一样的,以非阻塞方式write/send,若发送缓冲区被写满了,表示写事件未就绪,错误码也会被设为EAGAIN or EWOULDBLOCK。

综上所述:使用 ET 模式的 epoll,需要将文件描述设置为非阻塞。 这个不是接口上的要求,而是"工程实践"上的要求,因为ET模式的机制总是要求程序员一次就绪响应就将事件处理完毕。

💭其它的理解细节:

事实上,LT也可以通过非阻塞的方式,通知一次就将所有数据取完,但由于LT是反复通知上层,就算不将数据一次读完,上层也不会错过就绪事件,只有ET的机制才倒逼用户必须立刻处理完就绪事件

epoll的应用场景

🔎并不是说使用epoll就一定是最高效的多路复用,还是要具体问题具体分析。epoll主要用于处理大规模、多并发、多连接的场景,特别是在高性能的网络服务器应用中。epoll在 Linux 上提供了一种高效的 I/O 多路复用机制,相较于selectpoll具有更好的性能和扩展性。而对于一些较小规模、连接较少的服务器,epoll带来的内存开销可能会比较大。因此,要根据具体问题和环境,选用具体的多路复用IO模型。


END…

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