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linux epoll淺析

日期:2017/3/3 13:57:16   编辑:Linux技術
首先我們來定義流的概念,一個流可以是文件,socket,pipe等等可以進行I/O操作的內核對象。
不管是文件,還是套接字,還是管道,我們都可以把他們看作流。
之後我們來討論I/O的操作,通過read,我們可以從流中讀入數據;通過write,我們可以往流寫入數據。現在假定一個情形,我們需要從流中讀數據,但是流中還沒有數據,(典型的例子為,客戶端要從socket讀如數據,但是服務器還沒有把數據傳回來),這時候該怎麼辦?
阻塞:阻塞是個什麼概念呢?比如某個時候你在等快遞,但是你不知道快遞什麼時候過來,而且你沒有別的事可以干(或者說接下來的事要等快遞來了才能做);那麼你可以去睡覺了,因為你知道快遞把貨送來時一定會給你打個電話(假定一定能叫醒你)。
非阻塞忙輪詢:接著上面等快遞的例子,如果用忙輪詢的方法,那麼你需要知道快遞員的手機號,然後每分鐘給他掛個電話:“你到了沒?”
很明顯一般人不會用第二種做法,不僅顯很無腦,浪費話費不說,還占用了快遞員大量的時間。
大部分程序也不會用第二種做法,因為第一種方法經濟而簡單,經濟是指消耗很少的CPU時間,如果線程睡眠了,就掉出了系統的調度隊列,暫時不會去瓜分CPU寶貴的時間片了。
為了了解阻塞是如何進行的,我們來討論緩沖區,以及內核緩沖區,最終把I/O事件解釋清楚。緩沖區的引入是為了減少頻繁I/O操作而引起頻繁的系統調用(你知道它很慢的),當你操作一個流時,更多的是以緩沖區為單位進行操作,這是相對於用戶空間而言。對於內核來說,也需要緩沖區。
假設有一個管道,進程A為管道的寫入方,B為管道的讀出方。
假設一開始內核緩沖區是空的,B作為讀出方,被阻塞著。然後首先A往管道寫入,這時候內核緩沖區由空的狀態變到非空狀態,內核就會產生一個事件告訴B該醒來了,這個事件姑且稱之為“緩沖區非空”。
但是“緩沖區非空”事件通知B後,B卻還沒有讀出數據;且內核許諾了不能把寫入管道中的數據丟掉這個時候,A寫入的數據會滯留在內核緩沖區中,如果內核也緩沖區滿了,B仍未開始讀數據,最終內核緩沖區會被填滿,這個時候會產生一個I/O事件,告訴進程A,你該等等(阻塞)了,我們把這個事件定義為“緩沖區滿”。
假設後來B終於開始讀數據了,於是內核的緩沖區空了出來,這時候內核會告訴A,內核緩沖區有空位了,你可以從長眠中醒來了,繼續寫數據了,我們把這個事件叫做“緩沖區非滿”
也許事件Y1已經通知了A,但是A也沒有數據寫入了,而B繼續讀出數據,知道內核緩沖區空了。這個時候內核就告訴B,你需要阻塞了!,我們把這個時間定為“緩沖區空”。
這四個情形涵蓋了四個I/O事件,緩沖區滿,緩沖區空,緩沖區非空,緩沖區非滿(注都是說的內核緩沖區,且這四個術語都是我生造的,僅為解釋其原理而造)。這四個I/O事件是進行阻塞同步的根本。(如果不能理解“同步”是什麼概念,請學習操作系統的鎖,信號量,條件變量等任務同步方面的相關知識)。
然後我們來說說阻塞I/O的缺點。但是阻塞I/O模式下,一個線程只能處理一個流的I/O事件。如果想要同時處理多個流,要麼多進程(fork),要麼多線程(pthread_create),很不幸這兩種方法效率都不高。
於是再來考慮非阻塞忙輪詢的I/O方式,我們發現我們可以同時處理多個流了(把一個流從阻塞模式切換到非阻塞模式再此不予討論):
?
我們只要不停的把所有流從頭到尾問一遍,又從頭開始。這樣就可以處理多個流了,但這樣的做法顯然不好,因為如果所有的流都沒有數據,那麼只會白白浪費CPU。這裡要補充一點,阻塞模式下,內核對於I/O事件的處理是阻塞或者喚醒,而非阻塞模式下則把I/O事件交給其他對象(後文介紹的select以及epoll)處理甚至直接忽略。
為了避免CPU空轉,可以引進了一個代理(一開始有一位叫做select的代理,後來又有一位叫做poll的代理,不過兩者的本質是一樣的)。這個代理比較厲害,可以同時觀察許多流的I/O事件,在空閒的時候,會把當前線程阻塞掉,當有一個或多個流有I/O事件時,就從阻塞態中醒來,於是我們的程序就會輪詢一遍所有的流(於是我們可以把“忙”字去掉了)。代碼長這樣:
?
於是,如果沒有I/O事件產生,我們的程序就會阻塞在select處。但是依然有個問題,我們從select那裡僅僅知道了,有I/O事件發生了,但卻並不知道是那幾個流(可能有一個,多個,甚至全部),我們只能無差別輪詢所有流,找出能讀出數據,或者寫入數據的流,對他們進行操作。
但是使用select,我們有O(n)的無差別輪詢復雜度,同時處理的流越多,沒一次無差別輪詢時間就越長。再次
說了這麼多,終於能好好解釋epoll了
epoll可以理解為event poll,不同於忙輪詢和無差別輪詢,epoll之會把哪個流發生了怎樣的I/O事件通知我們。此時我們對這些流的操作都是有意義的。(復雜度降低到了O(1))
在討論epoll的實現細節之前,先把epoll的相關操作列出:
epoll_create 創建一個epoll對象,一般epollfd = epoll_create()
epoll_ctl (epoll_add/epoll_del的合體),往epoll對象中增加/刪除某一個流的某一個事件
比如
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socket, EPOLLIN);//注冊緩沖區非空事件,即有數據流入
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, socket, EPOLLOUT);//注冊緩沖區非滿事件,即流可以被寫入
epoll_wait(epollfd,...)等待直到注冊的事件發生
(注:當對一個非阻塞流的讀寫發生緩沖區滿或緩沖區空,write/read會返回-1,並設置errno=EAGAIN。而epoll只關心緩沖區非滿和緩沖區非空事件)。
一個epoll模式的代碼大概的樣子是:
?
限於篇幅,我只說這麼多,以揭示原理性的東西,至於epoll的使用細節,請參考man和google,實現細節,請參閱linux kernel source。
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