Linux 2.6內(nèi)核中提高網(wǎng)絡(luò)I/O性能的新方法-epoll I/O多路復(fù)用技術(shù)在比較多的TCP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中有使用，即比較多的用到select函數(shù)。
1、為什么select落后
首先，在Linux內(nèi)核中，select所用到的FD_SET是有限的，即內(nèi)核中有個參數(shù)__FD_SETSIZE定義了每個FD_SET的句柄個數(shù)，在我用的2.6.15-25-386內(nèi)核中，該值是1024，搜索內(nèi)核源代碼得到：
include/linux/posix_types.h:
#define __FD_SETSIZE 1024
也就是說，如果想要同時檢測1025個句柄的可讀狀態(tài)是不可能用select實現(xiàn)的。或者同時檢測1025個句柄的可寫狀態(tài)也是不可能的。其次，內(nèi)核中實現(xiàn) select是用輪詢方法，即每次檢測都會遍歷所有FD_SET中的句柄，顯然，select函數(shù)執(zhí)行時間與FD_SET中的句柄個數(shù)有一個比例關(guān)系，即 select要檢測的句柄數(shù)越多就會越費時。當(dāng)然，在前文中我并沒有提及poll方法，事實上用select的朋友一定也試過poll，我個人覺得 select和poll大同小異，個人偏好于用select而已。
2、內(nèi)核中提高I/O性能的新方法epoll
epoll是什么？按照man手冊的說法：是為處理大批量句柄而作了改進(jìn)的poll。要使用epoll只需要這三個系統(tǒng)調(diào)用：epoll_create(2)， epoll_ctl(2)， epoll_wait(2)。
當(dāng)然，這不是2.6內(nèi)核才有的，它是在2.5.44內(nèi)核中被引進(jìn)的(epoll(4) is a new API introduced in Linux kernel 2.5.44)
Linux2.6內(nèi)核epoll介紹
先介紹2本書《The Linux Networking Architecture--Design and Implementation of Network Protocols in the Linux Kernel》，以2.4內(nèi)核講解Linux TCP/IP實現(xiàn)，相當(dāng)不錯.作為一個現(xiàn)實世界中的實現(xiàn)，很多時候你必須作很多權(quán)衡，這時候參考一個久經(jīng)考驗的系統(tǒng)更有實際意義。舉個例子,linux內(nèi)核中sk_buff結(jié)構(gòu)為了追求速度和安全，犧牲了部分內(nèi)存，所以在發(fā)送TCP包的時候，無論應(yīng)用層數(shù)據(jù)多大,sk_buff最小也有272的字節(jié).其實對于socket應(yīng)用層程序來說，另外一本書《UNIX Network Programming Volume 1》意義更大一點.2003年的時候，這本書出了最新的第3版本，不過主要還是修訂第2版本。其中第6章《I/O Multiplexing》是最重要的。Stevens給出了網(wǎng)絡(luò)IO的基本模型。在這里最重要的莫過于select模型和Asynchronous I/O模型.從理論上說，AIO似乎是最高效的，你的IO操作可以立即返回，然后等待os告訴你IO操作完成。但是一直以來，如何實現(xiàn)就沒有一個完美的方案。最著名的windows完成端口實現(xiàn)的AIO,實際上也是內(nèi)部用線程池實現(xiàn)的罷了，最后的結(jié)果是IO有個線程池，你應(yīng)用也需要一個線程池...... 很多文檔其實已經(jīng)指出了這帶來的線程context-switch帶來的代價。在linux 平臺上，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)AIO一直是改動最多的地方，2.4的年代就有很多AIO內(nèi)核patch,最著名的應(yīng)該算是SGI那個。但是一直到2.6內(nèi)核發(fā)布，網(wǎng)絡(luò)模塊的AIO一直沒有進(jìn)入穩(wěn)定內(nèi)核版本(大部分都是使用用戶線程模擬方法，在使用了NPTL的linux上面其實和windows的完成端口基本上差不多了)。2.6內(nèi)核所支持的AIO特指磁盤的AIO---支持io_submit(),io_getevents()以及對Direct IO的支持(就是繞過VFS系統(tǒng)buffer直接寫硬盤，對于流服務(wù)器在內(nèi)存平穩(wěn)性上有相當(dāng)幫助)。
所以，剩下的select模型基本上就是我們在linux上面的唯一選擇，其實，如果加上no-block socket的配置，可以完成一個"偽"AIO的實現(xiàn)，只不過推動力在于你而不是os而已。不過傳統(tǒng)的select/poll函數(shù)有著一些無法忍受的缺點，所以改進(jìn)一直是2.4-2.5開發(fā)版本內(nèi)核的任務(wù)，包括/dev/poll，realtime signal等等。最終，Davide Libenzi開發(fā)的epoll進(jìn)入2.6內(nèi)核成為正式的解決方案
3、epoll的優(yōu)點
<1>支持一個進(jìn)程打開大數(shù)目的socket描述符(FD)
select 最不能忍受的是一個進(jìn)程所打開的FD是有一定限制的，由FD_SETSIZE設(shè)置，默認(rèn)值是2048。對于那些需要支持的上萬連接數(shù)目的IM服務(wù)器來說顯然太少了。這時候你一是可以選擇修改這個宏然后重新編譯內(nèi)核，不過資料也同時指出這樣會帶來網(wǎng)絡(luò)效率的下降，二是可以選擇多進(jìn)程的解決方案(傳統(tǒng)的 Apache方案)，不過雖然linux上面創(chuàng)建進(jìn)程的代價比較小，但仍舊是不可忽視的，加上進(jìn)程間數(shù)據(jù)同步遠(yuǎn)比不上線程間同步的高效，所以也不是一種完美的方案。不過 epoll則沒有這個限制，它所支持的FD上限是最大可以打開文件的數(shù)目，這個數(shù)字一般遠(yuǎn)大于2048,舉個例子,在1GB內(nèi)存的機(jī)器上大約是10萬左右，具體數(shù)目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般來說這個數(shù)目和系統(tǒng)內(nèi)存關(guān)系很大。
<2>IO效率不隨FD數(shù)目增加而線性下降
傳統(tǒng)的select/poll另一個致命弱點就是當(dāng)你擁有一個很大的socket集合，不過由于網(wǎng)絡(luò)延時，任一時間只有部分的socket是"活躍"的，但是select/poll每次調(diào)用都會線性掃描全部的集合，導(dǎo)致效率呈現(xiàn)線性下降。但是epoll不存在這個問題，它只會對"活躍"的socket進(jìn)行操作---這是因為在內(nèi)核實現(xiàn)中epoll是根據(jù)每個fd上面的callback函數(shù)實現(xiàn)的。那么，只有"活躍"的socket才會主動的去調(diào)用 callback函數(shù)，其他idle狀態(tài)socket則不會，在這點上，epoll實現(xiàn)了一個"偽"AIO，因為這時候推動力在os內(nèi)核。在一些 benchmark中，如果所有的socket基本上都是活躍的---比如一個高速LAN環(huán)境，epoll并不比select/poll有什么效率，相反，如果過多使用epoll_ctl,效率相比還有稍微的下降。但是一旦使用idle connections模擬WAN環(huán)境,epoll的效率就遠(yuǎn)在select/poll之上了。
<3>使用mmap加速內(nèi)核與用戶空間的消息傳遞。
這點實際上涉及到epoll的具體實現(xiàn)了。無論是select,poll還是epoll都需要內(nèi)核把FD消息通知給用戶空間，如何避免不必要的內(nèi)存拷貝就很重要，在這點上，epoll是通過內(nèi)核于用戶空間mmap同一塊內(nèi)存實現(xiàn)的。而如果你想我一樣從2.5內(nèi)核就關(guān)注epoll的話，一定不會忘記手工 mmap這一步的。
<4>內(nèi)核微調(diào)
這一點其實不算epoll的優(yōu)點了，而是整個linux平臺的優(yōu)點。也許你可以懷疑 linux平臺，但是你無法回避linux平臺賦予你微調(diào)內(nèi)核的能力。比如，內(nèi)核TCP/IP協(xié)議棧使用內(nèi)存池管理sk_buff結(jié)構(gòu)，那么可以在運行時期動態(tài)調(diào)整這個內(nèi)存pool(skb_head_pool)的大小--- 通過echo XXXX>/proc/sys/net/core/hot_list_length完成。再比如listen函數(shù)的第2個參數(shù)(TCP完成3次握手的數(shù)據(jù)包隊列長度)，也可以根據(jù)你平臺內(nèi)存大小動態(tài)調(diào)整。更甚至在一個數(shù)據(jù)包面數(shù)目巨大但同時每個數(shù)據(jù)包本身大小卻很小的特殊系統(tǒng)上嘗試最新的NAPI網(wǎng)卡驅(qū)動架構(gòu)。
4、epoll的工作模式
令人高興的是，2.6內(nèi)核的epoll比其2.5開發(fā)版本的/dev/epoll簡潔了許多，所以，大部分情況下，強(qiáng)大的東西往往是簡單的。唯一有點麻煩是epoll有2種工作方式:LT和ET。
LT(level triggered)是缺省的工作方式，并且同時支持block和no-block socket.在這種做法中，內(nèi)核告訴你一個文件描述符是否就緒了，然后你可以對這個就緒的fd進(jìn)行IO操作。如果你不作任何操作，內(nèi)核還是會繼續(xù)通知你的，所以，這種模式編程出錯誤可能性要小一點。傳統(tǒng)的select/poll都是這種模型的代表．
ET (edge-triggered)是高速工作方式，只支持no-block socket。在這種模式下，當(dāng)描述符從未就緒變?yōu)榫途w時，內(nèi)核通過epoll告訴你。然后它會假設(shè)你知道文件描述符已經(jīng)就緒，并且不會再為那個文件描述符發(fā)送更多的就緒通知，直到你做了某些操作導(dǎo)致那個文件描述符不再為就緒狀態(tài)了(比如，你在發(fā)送，接收或者接收請求，或者發(fā)送接收的數(shù)據(jù)少于一定量時導(dǎo)致了一個EWOULDBLOCK 錯誤）。但是請注意，如果一直不對這個fd作IO操作(從而導(dǎo)致它再次變成未就緒)，內(nèi)核不會發(fā)送更多的通知(only once),不過在TCP協(xié)議中，ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark確認(rèn)。
epoll只有epoll_create,epoll_ctl,epoll_wait 3個系統(tǒng)調(diào)用，具體用法請參考http://www.xmailserver.org/linux-patches/nio-improve.html ，在http://www.kegel.com/rn/也有一個完整的例子，大家一看就知道如何使用了
Leader/follower模式線程pool實現(xiàn)，以及和epoll的配合。
5、 epoll的使用方法
首先通過create_epoll(int maxfds)來創(chuàng)建一個epoll的句柄，其中maxfds為你epoll所支持的最大句柄數(shù)。這個函數(shù)會返回一個新的epoll句柄，之后的所有操作將通過這個句柄來進(jìn)行操作。在用完之后，記得用close()來關(guān)閉這個創(chuàng)建出來的epoll句柄。之后在你的網(wǎng)絡(luò)主循環(huán)里面，每一幀的調(diào)用epoll_wait(int epfd, epoll_event events, int max events, int timeout)來查詢所有的網(wǎng)絡(luò)接口，看哪一個可以讀，哪一個可以寫了。基本的語法為：
nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1);
其中kdpfd為用epoll_create創(chuàng)建之后的句柄，events是一個epoll_event*的指針，當(dāng)epoll_wait這個函數(shù)操作成功之后，epoll_events里面將儲存所有的讀寫事件。max_events是當(dāng)前需要監(jiān)聽的所有socket句柄數(shù)。最后一個timeout是 epoll_wait的超時，為0的時候表示馬上返回，為-1的時候表示一直等下去，直到有事件范圍，為任意正整數(shù)的時候表示等這么長的時間，如果一直沒有事件，則范圍。一般如果網(wǎng)絡(luò)主循環(huán)是單獨的線程的話，可以用-1來等，這樣可以保證一些效率，如果是和主邏輯在同一個線程的話，則可以用0來保證主循環(huán)的效率。
epoll_wait范圍之后應(yīng)該是一個循環(huán)，遍利所有的事件：
for(n = 0; n < nfds; ++n) {
if(events[n].data.fd == listener) { //如果是主socket的事件的話，則表示有新連接進(jìn)入了，進(jìn)行新連接的處理。
client = accept(listener, (struct sockaddr *) &local, &addrlen);
if(client < 0){
perror("accept");
continue;
}
setnonblocking(client); // 將新連接置于非阻塞模式
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 并且將新連接也加入EPOLL的監(jiān)聽隊列。
//注意，這里的參數(shù)EPOLLIN | EPOLLET并沒有設(shè)置對寫socket的監(jiān)聽，
//如果有寫操作的話，這個時候epoll是不會返回事件的，
//如果要對寫操作也監(jiān)聽的話，應(yīng)該是EPOLLIN | EPOLLOUT | EPOLLET
ev.data.fd = client;
if (epoll_ctl(kdpfd, EPOLL_CTL_ADD, client, &ev) < 0) { // 設(shè)置好event之后，將這個新的event通過epoll_ctl
//加入到epoll的監(jiān)聽隊列里面，這里用EPOLL_CTL_ADD
//來加一個新的 epoll事件，通過EPOLL_CTL_DEL來減少
//一個epoll事件，通過EPOLL_CTL_MOD來改變一個事件的
//監(jiān)聽方式。
fprintf(stderr, "epoll set insertion error: fd=%d0, client);
return -1;
}
} else // 如果不是主socket的事件的話，則代表是一個用戶socket的事件，
//則來處理這個用戶socket的事情，比如說read(fd,xxx)之類的，或者一些其他的處理。
do_use_fd(events[n].data.fd);
}
對，epoll的操作就這么簡單，總共不過4個API：epoll_create, epoll_ctl, epoll_wait和close。
如果您對epoll的效率還不太了解，請參考我之前關(guān)于網(wǎng)絡(luò)游戲的網(wǎng)絡(luò)編程等相關(guān)的文章。
以前公司的服務(wù)器都是使用HTTP連接，但是這樣的話，在手機(jī)目前的網(wǎng)絡(luò)情況下不但顯得速度較慢，而且不穩(wěn)定。因此大家一致同意用 SOCKET來進(jìn)行連接。雖然使用SOCKET之后，對于用戶的費用可能會增加(由于是用了CMNET而非CMWAP)，但是，秉著用戶體驗至上的原則，相信大家還是能夠接受的(希望那些玩家月末收到帳單不后能夠保持克制...)。
這次的服務(wù)器設(shè)計中，最重要的一個突破，是使用了EPOLL模型，雖然對之也是一知半解，但是既然在各大PC網(wǎng)游中已經(jīng)經(jīng)過了如此嚴(yán)酷的考驗，相信他不會讓我們失望，使用后的結(jié)果，確實也是表現(xiàn)相當(dāng)不錯。在這里，我還是主要大致介紹一下這個模型的結(jié)構(gòu)。
6、Linux下EPOll編程實例
EPOLL模型似乎只有一種格式，所以大家只要參考我下面的代碼，就能夠?qū)POLL有所了解了，代碼的解釋都已經(jīng)在注釋中：
while (TRUE) {
int nfds = epoll_wait (m_epoll_fd, m_events, MAX_EVENTS, EPOLL_TIME_OUT);//等待EPOLL時間的發(fā)生，相當(dāng)于監(jiān)聽，
//至于相關(guān)的端口，需要在初始化EPOLL的時候綁定。
if (nfds <= 0)
continue;
m_bOnTimeChecking = FALSE;
G_CurTime = time(NULL);
for (int i=0; i<nfds; i++) {
try {
if (m_events[i].data.fd == m_listen_http_fd)//如果新監(jiān)測到一個HTTP用戶連接到綁定的HTTP端口，
//建立新的連接。由于我們新采用了SOCKET連接，所以基本沒用。
{
OnAcceptHttpEpoll ();
} else if (m_events[i].data.fd == m_listen_sock_fd)//如果新監(jiān)測到一個SOCKET用戶連接到了綁定的SOCKET端口，
//建立新的連接。
{
OnAcceptSockEpoll ();
} else if (m_events[i].events & EPOLLIN)//如果是已經(jīng)連接的用戶，并且收到數(shù)據(jù)，那么進(jìn)行讀入。
{
OnReadEpoll (i);
}
OnWriteEpoll (i);//查看當(dāng)前的活動連接是否有需要寫出的數(shù)據(jù)。
} catch (int) {
PRINTF ("CATCH捕獲錯誤\n");
continue;
}
}
m_bOnTimeChecking = TRUE;
OnTimer ();//進(jìn)行一些定時的操作，主要就是刪除一些短線用戶等。
}
其實EPOLL的精華，也就是上述的幾段短短的代碼，看來時代真的不同了，以前如何接受大量用戶連接的問題，現(xiàn)在卻被如此輕松的搞定，真是讓人不得不感嘆，對哪。
Epoll模型主要負(fù)責(zé)對大量并發(fā)用戶的請求進(jìn)行及時處理，完成服務(wù)器與客戶端的數(shù)據(jù)交互。其具體的實現(xiàn)步驟如下：
(a) 使用epoll_create()函數(shù)創(chuàng)建文件描述，設(shè)定將可管理的最大socket描述符數(shù)目。
(b) 創(chuàng)建與epoll關(guān)聯(lián)的接收線程，應(yīng)用程序可以創(chuàng)建多個接收線程來處理epoll上的讀通知事件，線程的數(shù)量依賴于程序的具體需要。
(c) 創(chuàng)建一個偵聽socket描述符ListenSock；將該描述符設(shè)定為非阻塞模式，調(diào)用Listen（）函數(shù)在套接字上偵聽有無新的連接請求，在epoll_event結(jié)構(gòu)中設(shè)置要處理的事件類型EPOLLIN，工作方式為 epoll_ET，以提高工作效率，同時使用epoll_ctl()注冊事件，最后啟動網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視線程。
(d) 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視線程啟動循環(huán)，epoll_wait()等待epoll事件發(fā)生。
(e) 如果epoll事件表明有新的連接請求，則調(diào)用accept（）函數(shù)，將用戶socket描述符添加到epoll_data聯(lián)合體，同時設(shè)定該描述符為非阻塞，并在epoll_event結(jié)構(gòu)中設(shè)置要處理的事件類型為讀和寫，工作方式為epoll_ET.
(f) 如果epoll事件表明socket描述符上有數(shù)據(jù)可讀，則將該socket描述符加入可讀隊列，通知接收線程讀入數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)放入到接收數(shù)據(jù)的鏈表中，經(jīng)邏輯處理后，將反饋的數(shù)據(jù)包放入到發(fā)送數(shù)據(jù)鏈表中，等待由發(fā)送線程發(fā)送。