epoll源码分析

epoll源码分析

最近在使用libev过程中遇到一个场景：一个fd从一个ev_loop迁移到另一个ev_loop，会出现这个fd同时存在两个epoll的瞬间。
不禁要问了，一个fd同时被两个epoll监视的行为是怎样的，epoll嵌套使用是怎样实现的？为此，整理了以前读的epoll源码。

概述

epoll的扩展性和性能关键在于两个数据结构: 0) 一个rbtree; 1) 一个ready list.
epoll是有状态的, 内核中维护了一个数据结构用来管理所要监视的fd，这个数据结构是eventpoll.
在eventpoll中有一颗红黑树, 用来快速的查找和修改要监视的fd，每个节点被封装成epitem结构.
在eventpoll中有一个列表, 用来收集已经发生事件的epitem, 这个list叫ready list.

epoll系统的初始化

eventpoll_init()
{eventpoll_mnt = kern_mount(&eventpoll_fs_type);epi_cache = kmem_cache_create("eventpoll_epi", sizeof(struct epitem),0, SLAB_HWCACHE_ALIGN|EPI_SLAB_DEBUG|SLAB_PANIC,NULL, NULL);pwq_cache = kmem_cache_create("eventpoll_pwq",sizeof(struct eppoll_entry), 0,EPI_SLAB_DEBUG|SLAB_PANIC, NULL, NULL);error = register_filesystem(&eventpoll_fs_type);eventpoll_mnt = kern_mount(&eventpoll_fs_type);
}

init初始化代码很简单:
1. 申请epitem的缓冲;
2. 申请eppoll_entry的缓冲;
3. 把epoll和文件系统关联起来.

下图是 epoll和VFS的关联：
epoll_

epoll创建 - epoll_create

SYSCALL_DEFINE1(epoll_create1, int, flags)
{int error, fd;struct eventpoll *ep = NULL;struct file *file;error = ep_alloc(&ep);fd = get_unused_fd_flags(O_RDWR | (flags & O_CLOEXEC));file = anon_inode_getfile("[eventpoll]", &eventpoll_fops, ep, (flags & O_CLOEXEC));fd_install(fd, file);ep->file = file;return fd;
}
  1. error = ep_alloc(&ep); 分配一个epollevent结构体;
  2. 把ep和文件系统的inode, file关联起来。

epoll添加事件 - epoll_ctl

asmlinkage long
sys_epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event __user *event)
{struct file *file, *tfile;struct eventpoll *ep;struct epitem *epi;struct epoll_event epds;tfile = fget(fd);// 判断epfd是否是一个epollif (file == tfile || !is_file_epoll(file))goto eexit_3;// 从private_data中取出eventpoll指针// 并且上锁, 因此一个epoll_ctl是线程安全的ep = file->private_data;down_write(&ep->sem);// 尝试着从红黑树ep->rbr上找到tfile对应的一个epitemepi = ep_find(ep, tfile, fd);error = -EINVAL;switch (op) {case EPOLL_CTL_ADD:if (!epi) { // 如果是ADD操作，并且这个fd不在eventpoll里，则执行插入操作，注意：内核会主动加上POLLERR和POLLHUP事件epds.events |= POLLERR | POLLHUP;error = ep_insert(ep, &epds, tfile, fd);} else // 否则设置errorerror = -EEXIST;clear_tfile_check_list();break;case EPOLL_CTL_DEL:if (epi)error = ep_remove(ep, epi);elseerror = -ENOENT;break;case EPOLL_CTL_MOD:if (epi) {epds.events |= POLLERR | POLLHUP;error = ep_modify(ep, epi, &epds);} elseerror = -ENOENT;break;}}
}

ep_insert插入事件

下图是epoll的数据结构。root指向红黑树的树根；rdlist指向待收割事件的列表ready list：
epoll__tree_readylist

static int ep_insert(struct eventpoll *ep, struct epoll_event *event,
struct file *tfile, int fd)
{int error, revents, pwake = 0;unsigned long flags;struct epitem *epi;struct ep_pqueue epq;// 从slab中分配一个epitemif (!(epi = kmem_cache_alloc(epi_cache, GFP_KERNEL)))return -ENOMEM;// 初始化epiINIT_LIST_HEAD(&epi->rdllink);INIT_LIST_HEAD(&epi->fllink);INIT_LIST_HEAD(&epi->pwqlist);epi->ep = ep;ep_set_ffd(&epi->ffd, tfile, fd);epi->event = *event;epi->nwait = 0;epi->next = EP_UNACTIVE_PTR;// 调用tcp_poll// 在tcp_sock->sk_sleep中插入一个等待者epq.epi = epi;init_poll_funcptr(&epq.pt, ep_ptable_queue_proc);// 0) 向fd添加一个回调让其有事件发生时通知epoll;// 1) 同时, 可能此时已经有事件存在了, revents返回这个事件revents = tfile->f_op->poll(tfile, &epq.pt);// 把这个epi添加到红黑树中ep_rbtree_insert(ep, epi);error = -EINVAL;if (reverse_path_check())goto error_remove_epi;spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);// 如果此时有事件到来，并且没有把epi添加到就绪队列，则添加到epoll的就绪队列if ((revents & event->events) && !ep_is_linked(&epi->rdllink)) {list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist);// 并且唤醒一个正在等在这个epoll管理的fd的进程if (waitqueue_active(&ep->wq))wake_up_locked(&ep->wq);// 并且唤醒一个正在等在这个epoll本身的进程if (waitqueue_active(&ep->poll_wait))pwake++;}spin_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags);atomic_inc(&ep->user->epoll_watches);// 在ep->lock锁的外面唤醒嵌套epollif (pwake)ep_poll_safewake(&ep->poll_wait);return 0;
}

在插入一个fd到epoll中会显示调用一次poll, 对于tcp来说是tcp_poll.
来看看poll是如何初始化和被调用的.

tcp_poll

下图是网卡硬件中断触发epoll_wait返回的调用路径：
_

// tcp 协议初始化
static struct inet_protosw inetsw_array[] =
{{.type =       SOCK_STREAM,.protocol =   IPPROTO_TCP,.prot =       &tcp_prot,.ops =        &inet_stream_ops,.capability = -1,.no_check =   0,.flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT |INET_PROTOSW_ICSK,},
...
...
...
}

// tcp_poll才是最终的调用函数
const struct proto_ops inet_stream_ops = {.family                       = PF_INET,.owner                = THIS_MODULE,.bind                 = inet_bind,.accept               = inet_accept,.poll                 = tcp_poll,.listen                           = inet_listen
}

tcp_poll的逻辑

static unsigned int sock_poll(struct file *file, poll_table * wait)
{struct socket *sock;sock = file->private_data;return sock->ops->poll(file, sock, wait);
}// 0) 注册事件到tcp中;
// 1) 返回此时已经发生的事件.
unsigned int tcp_poll(struct file *file, struct socket *sock, poll_table *wait)
{unsigned int mask;struct sock *sk = sock->sk;struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);// 注册一个回调到sk->sk_sleep中// 注意, wait为空时忽略注册动作poll_wait(file, sk->sk_sleep, wait);// 如果是监听套接字，则inet_csk_listen_pollif (sk->sk_state == TCP_LISTEN)return inet_csk_listen_poll(sk);mask = 0;if (sk->sk_err)mask = POLLERR;// copied_seq 和 rcv_nxt 不相等，则说明有未读数据出现了if ((1 << sk->sk_state) & ~(TCPF_SYN_SENT | TCPF_SYN_RECV)) {if ((tp->rcv_nxt != tp->copied_seq) && (tp->urg_seq != tp->copied_seq || tp->rcv_nxt != tp->copied_seq + 1 || sock_flag(sk, SOCK_URGINLINE) || !tp->urg_data))mask |= POLLIN | POLLRDNORM;if (sk_stream_wspace(sk) >= sk_stream_min_wspace(sk)) {mask |= POLLOUT | POLLWRNORM;}}
}

看看如何注册回调到tcp socket中

// 反向调用poll_table->qproc，注册一个poll_callback
static inline void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)
{if (p && wait_address)p->qproc(filp, wait_address, p);
}// 注册poll_callback到sock->sk_sleep上
// 0) file是sock对应的file句柄;
// 1) whead是sock->sk_sleep
static void ep_ptable_queue_proc(struct file *file, wait_queue_head_t *whead, poll_table *pt)
{struct epitem *epi = ep_item_from_epqueue(pt);struct eppoll_entry *pwq;if (epi->nwait >= 0 && (pwq = kmem_cache_alloc(pwq_cache, SLAB_KERNEL))) {init_waitqueue_func_entry(&pwq->wait, ep_poll_callback);pwq->whead = whead;pwq->base = epi;add_wait_queue(whead, &pwq->wait);list_add_tail(&pwq->llink, &epi->pwqlist);epi->nwait++;} else {/* We have to signal that an error occurred */epi->nwait = -1;}
}

// 只要socket上有事件发生就会回调上面注册的回调

poll_callback的回调

数据包到达:
PKT Arrive INT
--> Driver
--> 0) alloc_skb; 1) netif_rx
--> RX_SOFTIRQ
--> net_rx_action软中断处理函数 (dev->poll)
--> process_backlog
--> netif_receive_skb
--> tcp_v4_rcv()
--> tcp_v4_do_rcv
--> tcp_rcv_state_process
--> sock_def_wakeup
--> ep_poll_callback

回调

static int ep_poll_callback(wait_queue_t *wait, unsigned mode, int sync, void *key)
{int pwake = 0;unsigned long flags;// 通过wait找到epoll_entry// 通过epoll_entry->base找到epitemstruct epitem *epi = ep_item_from_wait(wait);struct eventpoll *ep = epi->ep;spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);if (!(epi->event.events & ~EP_PRIVATE_BITS))goto out_unlock;if (key && !((unsigned long) key & epi->event.events))goto out_unlock;// 把当前epitem添加到ready list中，等待收割if (!ep_is_linked(&epi->rdllink))list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist);// 在收到数据包的回调中唤醒等待在epll上的进程    if (waitqueue_active(&ep->wq))wake_up_locked(&ep->wq);// 唤醒嵌套epoll的进程if (waitqueue_active(&ep->poll_wait))pwake++;pin_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags);if (pwake)ep_poll_safewake(&ep->poll_wait);return 1;
}

下面看看用户态如何收割事件.

epoll事件收割 - epoll_wait

SYSCALL_DEFINE4(epoll_wait, int, epfd, struct epoll_event __user *, events, int, maxevents, int, timeout)
{error = ep_poll(ep, events, maxevents, timeout);                 
}static int ep_poll(struct eventpoll *ep, struct epoll_event __user *events, int maxevents, long timeout)
{int res = 0, eavail, timed_out = 0;if (timeout > 0) {struct timespec end_time = ep_set_mstimeout(timeout);slack = select_estimate_accuracy(&end_time);to = &expires;*to = timespec_to_ktime(end_time);} else if (timeout == 0) {timed_out = 1;spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);goto check_events;}fetch_events:spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);// 如果ready list为空if (!ep_events_available(ep)) {init_waitqueue_entry(&wait, current);wait.flags |= WQ_FLAG_EXCLUSIVE;// 把当前进程添加到等待队列中__add_wait_queue(&ep->wq, &wait);for (;;) {// 设置进程的状态为TASK_INTERRUPTIBLE，以便在ep_poll_callback将其唤醒set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);// ready list非空if (ep_events_available(ep) || timed_out)break;// 有信号返回EINTR if (signal_pending(current)) {res = -EINTR;break;}// 解锁准备调度出去spin_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags);if (!schedule_hrtimeout_range(to, slack, HRTIMER_MODE_ABS))timed_out = 1;// 再次运行后，第一件事就是获取锁    spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);}__remove_wait_queue(&ep->wq, &wait);set_current_state(TASK_RUNNING);}eavail = ep_events_available(ep);// 开始收割事件ep_send_events(ep, events, maxevents);
}static int ep_send_events(struct eventpoll *ep, struct epoll_event __user *events, int maxevents)
{struct ep_send_events_data esed;esed.maxevents = maxevents;esed.events = events;return ep_scan_ready_list(ep, ep_send_events_proc, &esed);
}static int ep_scan_ready_list(struct eventpoll *ep, int (*sproc)(struct eventpoll *, struct list_head *, void *), void *priv)
{int error, pwake = 0;unsigned long flags;struct epitem *epi, *nepi;LIST_HEAD(txlist);// 上锁，和epoll_ctl, epoll_wait互斥mutex_lock(&ep->mtx);// 原子的置换readlist 到 txlist中// 并且开启ovflist, 使得在sproc执行过程中产生的事件存入其中, 是一个事件的临时停靠点spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);list_splice_init(&ep->rdllist, &txlist);ep->ovflist = NULL;spin_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags);// 开始调用sproc组织事件到用户空间的数组中error = (*sproc)(ep, &txlist, priv);spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);for (nepi = ep->ovflist; (epi = nepi) != NULL;nepi = epi->next, epi->next = EP_UNACTIVE_PTR) {// 把sproc执行期间产生的事件加入到ready list中, 但是有可能这些新诞生的事件到目前为止还在txlist中// 也就是, 有可能sproc并没有消耗完本次的ready list，那么剩下的事件要等到下次epoll_wait来收割// 所以,//     0) 需要去重, 这是通过ep_is_linked(&epi->rdllink)来做到的, 因为如果这个epi在txlist中, 它的rdllikn非空;//     1) 需要把还没有被收割到用户空间的事件再次的放入ready list中, 并且要保证这些事件在新诞生的事件的前面, 这是通过list_splice做到的.if (!ep_is_linked(&epi->rdllink))list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist);}// 关闭ovflist ep->ovflist = EP_UNACTIVE_PTR;list_splice(&txlist, &ep->rdllist);// 唤醒if (!list_empty(&ep->rdllist)) {if (waitqueue_active(&ep->wq))wake_up_locked(&ep->wq);if (waitqueue_active(&ep->poll_wait))pwake++;}spin_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags);mutex_unlock(&ep->mtx);if (pwake)ep_poll_safewake(&ep->poll_wait);return error;
}

事件是怎么被收割到用户空间的

static int ep_send_events_proc(struct eventpoll *ep, struct list_head *head, void *priv)
{struct ep_send_events_data *esed = priv;int eventcnt;unsigned int revents;struct epitem *epi;struct epoll_event __user *uevent;// 这个函数不需要再上锁了// 收割事件的个数上限是esed->maxeventsfor (eventcnt = 0, uevent = esed->events; !list_empty(head) && eventcnt < esed->maxevents;) {epi = list_first_entry(head, struct epitem, rdllink);// 已经被收割的事件要从txlist中移除掉, 很重要.// 因为，并不是txlist上的所有的事件都会被收割到用户空间// 剩下的未收割的事件要再次的放回到ready listlist_del_init(&epi->rdllink);// 显示的tcp_poll一次事件, 看看这个fd上发生了什么事情, 并和自己关心的事件做交集revents = epi->ffd.file->f_op->poll(epi->ffd.file, NULL) & epi->event.events;if (revents) {// 回传到用户空间            if (__put_user(revents, &uevent->events) ||__put_user(epi->event.data, &uevent->data)) {list_add(&epi->rdllink, head);return eventcnt ? eventcnt : -EFAULT;}eventcnt++;uevent++;if (epi->event.events & EPOLLONESHOT)epi->event.events &= EP_PRIVATE_BITS;else if (!(epi->event.events & EPOLLET)) {// 如果是LT模式要再次放入到ready list中// 难道这个事件就一直在ready list中了? 用户态的epoll_wait岂不是每次都会收割到事件?什么时候会被剔除掉?// 非也(以读事件为例)://     0) 如果用户态在epoll_wait中获取到了一个epi事件, 并没有处理, 那么这个事件是一直存在在fd上的(举个例子: 可读状态会一直处于可读, rcv_nxt>copied_seq)//     1) 用户态代码不读取数据或仅仅读取了部分数据, 为了保证LT语义, 下次epoll_wait时候能够再次获取到改epi, 这个epi必须要保存到ready list中;//     2) 用户态代码一直读取这个fd上的数据直到EGAIN, 下次epoll_wait的时候任然会从ready list中碰到这个事件, 但此时tcp_poll不会返回可读事件了, 所以此后会从ready list中剔除掉.//     3) 也就是, epoll事件的剔除是发生在下一次epoll_wait中list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist);}}}return eventcnt;
}

自问自答

2_epoll
问： 一个fd加入到多个epoll行为如何？
答： 统一个fd通过epoll_ctl添加到两个epoll中，在epoll_ctl流程中会通过tcp_poll调用在fd->sock->sk_sleep中插入一个回调。也就是说，两次epoll_ctl就会往同一个fd的sk_sleep中插入两个回调。在有事件到来时会遍历sk_sleep上所有的回调。所以，会触发两次epoll_wait返回。
问：epoll的LT和ET如何实现的？和具体的poll()有关吗？
答：具体的poll()函数是无感知LT和ET的。tcp_poll在state change时候会回调sk_sleep上的回调。epoll在收割事件的时候会判断是ET还是LT，如果是ET则把epi从ready list移除掉，并且加入到用户态的events数组中，所以下次epoll_wait就不会收割到这个事件了，除非state change又发生了变化触发了回调；如果是LT除了把epi加入到用户态的events数组中，还会再次加入到ready list之后，下次epoll_wait会再次返回，但是并不会始终返回。

转载于:https://www.cnblogs.com/diegodu/p/9377535.html

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