WINDOWS完成端口編程
1、基本概念
2、WINDOWS完成端口的特點(diǎn)
3、完成端口（Completion Ports ）相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和創(chuàng)建
4、完成端口線(xiàn)程的工作原理
5、Windows完成端口的實(shí)例代碼
Linux的EPoll模型
1、為什么select落后
2、內(nèi)核中提高I/O性能的新方法epoll
3、epoll的優(yōu)點(diǎn)
4、epoll的工作模式
5、epoll的使用方法
6、Linux下EPOll編程實(shí)例
總結(jié)
WINDOWS完成端口編程
??????? 摘要：開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)程序從來(lái)都不是一件容易的事情，盡管只需要遵守很少的一些規(guī)則;創(chuàng)建socket,發(fā)起連接，接受連接，發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。真正的困難在于：讓你的程序可以適應(yīng)從單單一個(gè)連接到幾千個(gè)連接乃至于上萬(wàn)個(gè)連接。利用Windows平臺(tái)完成端口進(jìn)行重疊I/O的技術(shù)和Linux在2.6版本的內(nèi)核中引入的EPOll技術(shù)，可以很方便在在在Windows和Linux平臺(tái)上開(kāi)發(fā)出支持大量連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序。本文介紹在Windows和Linux平臺(tái)上使用的完成端口和EPoll模型開(kāi)發(fā)的基本原理，同時(shí)給出實(shí)際的例子。本文主要關(guān)注C/S結(jié)構(gòu)的服務(wù)器端程序，因?yàn)橐话銇?lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)一個(gè)大容量，具可擴(kuò)展性的winsock程序一般就是指服務(wù)程序。
1、基本概念
??? 設(shè)備---windows操作系統(tǒng)上允許通信的任何東西，比如文件、目錄、串行口、并行口、郵件槽、命名管道、無(wú)名管道、套接字、控制臺(tái)、邏輯磁盤(pán)、物理磁盤(pán)等。絕大多數(shù)與設(shè)備打交道的函數(shù)都是CreateFile/ReadFile/WriteFile等。所以我們不能看到**File函數(shù)就只想到文件設(shè)備。與設(shè)備通信有兩種方式，同步方式和異步方式。同步方式下，當(dāng)調(diào)用ReadFile函數(shù)時(shí)，函數(shù)會(huì)等待系統(tǒng)執(zhí)行完所要求的工作，然后才返回；異步方式下，ReadFile這類(lèi)函數(shù)會(huì)直接返回，系統(tǒng)自己去完成對(duì)設(shè)備的操作，然后以某種方式通知完成操作。
重疊I/O----顧名思義，當(dāng)你調(diào)用了某個(gè)函數(shù)（比如ReadFile）就立刻返回做自己的其他動(dòng)作的時(shí)候，同時(shí)系統(tǒng)也在對(duì)I/0設(shè)備進(jìn)行你要求的操作，在這段時(shí)間內(nèi)你的程序和系統(tǒng)的內(nèi)部動(dòng)作是重疊的，因此有更好的性能。所以，重疊I/O是用于異步方式下使用I/O設(shè)備的。 重疊I/O需要使用的一個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)OVERLAPPED。
2、WINDOWS完成端口的特點(diǎn)
?? Win32重疊I/O(Overlapped I/O)機(jī)制允許發(fā)起一個(gè)操作，然后在操作完成之后接受到信息。對(duì)于那種需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成的操作來(lái)說(shuō)，重疊IO機(jī)制尤其有用，因?yàn)榘l(fā)起重疊操作的線(xiàn)程在重疊請(qǐng)求發(fā)出后就可以自由的做別的事情了。在WinNT和Win2000上，提供的真正的可擴(kuò)展的I/O模型就是使用完成端口（Completion Port）的重疊I/O.完成端口---是一種WINDOWS內(nèi)核對(duì)象。完成端口用于異步方式的重疊I/0情況下，當(dāng)然重疊I/O不一定非使用完成端口不可，還有設(shè)備內(nèi)核對(duì)象、事件對(duì)象、告警I/0等。但是完成端口內(nèi)部提供了線(xiàn)程池的管理，可以避免反復(fù)創(chuàng)建線(xiàn)程的開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)可以根據(jù)CPU的個(gè)數(shù)靈活的決定線(xiàn)程個(gè)數(shù)，而且可以讓減少線(xiàn)程調(diào)度的次數(shù)從而提高性能其實(shí)類(lèi)似于WSAAsyncSelect和select函數(shù)的機(jī)制更容易兼容Unix，但是難以實(shí)現(xiàn)我們想要的“擴(kuò)展性”。而且windows的完成端口機(jī)制在操作系統(tǒng)內(nèi)部已經(jīng)作了優(yōu)化，提供了更高的效率。所以，我們選擇完成端口開(kāi)始我們的服務(wù)器程序的開(kāi)發(fā)。
1、發(fā)起操作不一定完成，系統(tǒng)會(huì)在完成的時(shí)候通知你，通過(guò)用戶(hù)在完成端口上的等待，處理操作的結(jié)果。所以要有檢查完成端口，取操作結(jié)果的線(xiàn)程。在完成端口上守候的線(xiàn)程系統(tǒng)有優(yōu)化，除非在執(zhí)行的線(xiàn)程阻塞，不會(huì)有新的線(xiàn)程被激活，以此來(lái)減少線(xiàn)程切換造成的性能代價(jià)。所以如果程序中沒(méi)有太多的阻塞操作，沒(méi)有必要啟動(dòng)太多的線(xiàn)程，CPU數(shù)量的兩倍，一般這樣來(lái)啟動(dòng)線(xiàn)程。
2、操作與相關(guān)數(shù)據(jù)的綁定方式：在提交數(shù)據(jù)的時(shí)候用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)打相應(yīng)的標(biāo)記，記錄操作的類(lèi)型，在用戶(hù)處理操作結(jié)果的時(shí)候，通過(guò)檢查自己打的標(biāo)記和系統(tǒng)的操作結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理。
3、操作返回的方式:一般操作完成后要通知程序進(jìn)行后續(xù)處理。但寫(xiě)操作可以不通知用戶(hù)，此時(shí)如果用戶(hù)寫(xiě)操作不能馬上完成，寫(xiě)操作的相關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)被暫存到到非交換緩沖區(qū)中，在操作完成的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)釋放緩沖區(qū)。此時(shí)發(fā)起完寫(xiě)操作，使用的內(nèi)存就可以釋放了。此時(shí)如果占用非交換緩沖太多會(huì)使系統(tǒng)停止響應(yīng)。
3、完成端口（Completion Ports ）相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和創(chuàng)建
??? 其實(shí)可以把完成端口看成系統(tǒng)維護(hù)的一個(gè)隊(duì)列，操作系統(tǒng)把重疊IO操作完成的事件通知放到該隊(duì)列里，由于是暴露 “操作完成”的事件通知，所以命名為“完成端口”（COmpletion Ports）。一個(gè)socket被創(chuàng)建后，可以在任何時(shí)刻和一個(gè)完成端口聯(lián)系起來(lái)。
完成端口相關(guān)最重要的是OVERLAPPED數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
typedef struct _OVERLAPPED {
??? ULONG_PTR Internal;//被系統(tǒng)內(nèi)部賦值，用來(lái)表示系統(tǒng)狀態(tài)
??? ULONG_PTR InternalHigh;// 被系統(tǒng)內(nèi)部賦值，傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)
??? union {
??????? struct {
??????????? DWORD Offset;//和OffsetHigh合成一個(gè)64位的整數(shù)，用來(lái)表示從文件頭部的多少字節(jié)開(kāi)始
??????????? DWORD OffsetHigh;//操作，如果不是對(duì)文件I/O來(lái)操作，則必須設(shè)定為0
??????? };
??????? PVOID Pointer;
??? };
??? HANDLE hEvent;//如果不使用，就務(wù)必設(shè)為0,否則請(qǐng)賦一個(gè)有效的Event句柄
} OVERLAPPED, *LPOVERLAPPED;
下面是異步方式使用ReadFile的一個(gè)例子
OVERLAPPED Overlapped;
Overlapped.Offset=345;
Overlapped.OffsetHigh=0;
Overlapped.hEvent=0;
//假定其他參數(shù)都已經(jīng)被初始化
ReadFile(hFile,buffer,sizeof(buffer),&dwNumBytesRead,&Overlapped);
這樣就完成了異步方式讀文件的操作，然后ReadFile函數(shù)返回，由操作系統(tǒng)做自己的事情，下面介紹幾個(gè)與OVERLAPPED結(jié)構(gòu)相關(guān)的函數(shù)
等待重疊I/0操作完成的函數(shù)
BOOL GetOverlappedResult (
HANDLE hFile,
LPOVERLAPPED lpOverlapped,//接受返回的重疊I/0結(jié)構(gòu)
LPDWORD lpcbTransfer,//成功傳輸了多少字節(jié)數(shù)
BOOL fWait //TRUE只有當(dāng)操作完成才返回，F(xiàn)ALSE直接返回，如果操作沒(méi)有完成，通過(guò)調(diào)//用GetLastError ( )函數(shù)會(huì)返回ERROR_IO_INCOMPLETE
);
宏HasOverlappedIoCompleted可以幫助我們測(cè)試重疊I/0操作是否完成，該宏對(duì)OVERLAPPED結(jié)構(gòu)的Internal成員進(jìn)行了測(cè)試，查看是否等于STATUS_PENDING值。
??????? 一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)應(yīng)用程序可以創(chuàng)建多個(gè)工作線(xiàn)程來(lái)處理完成端口上的通知事件。工作線(xiàn)程的數(shù)量依賴(lài)于程序的具體需要。但是在理想的情況下，應(yīng)該對(duì)應(yīng)一個(gè)CPU 創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程。因?yàn)樵谕瓿啥丝诶硐肽Ｐ椭校總€(gè)線(xiàn)程都可以從系統(tǒng)獲得一個(gè)“原子”性的時(shí)間片，輪番運(yùn)行并檢查完成端口，線(xiàn)程的切換是額外的開(kāi)銷(xiāo)。在實(shí)際開(kāi)發(fā)的時(shí)候，還要考慮這些線(xiàn)程是否牽涉到其他堵塞操作的情況。如果某線(xiàn)程進(jìn)行堵塞操作，系統(tǒng)則將其掛起，讓別的線(xiàn)程獲得運(yùn)行時(shí)間。因此，如果有這樣的情況，可以多創(chuàng)建幾個(gè)線(xiàn)程來(lái)盡量利用時(shí)間。
應(yīng)用完成端口：
??? 創(chuàng)建完成端口：完成端口是一個(gè)內(nèi)核對(duì)象，使用時(shí)他總是要和至少一個(gè)有效的設(shè)備句柄進(jìn)行關(guān)聯(lián)，完成端口是一個(gè)復(fù)雜的內(nèi)核對(duì)象，創(chuàng)建它的函數(shù)是：
HANDLE CreateIoCompletionPort(
??? IN HANDLE FileHandle,
??? IN HANDLE ExistingCompletionPort,
??? IN ULONG_PTR CompletionKey,
??? IN DWORD NumberOfConcurrentThreads
??? );
通常創(chuàng)建工作分兩步：
第一步，創(chuàng)建一個(gè)新的完成端口內(nèi)核對(duì)象，可以使用下面的函數(shù)：
?????? HANDLE CreateNewCompletionPort(DWORD dwNumberOfThreads)
{
???? ???? return CreateIoCompletionPort(INVALID_HANDLE_VALUE,NULL,NULL,dwNumberOfThreads);
};
??????
第二步，將剛創(chuàng)建的完成端口和一個(gè)有效的設(shè)備句柄關(guān)聯(lián)起來(lái)，可以使用下面的函數(shù)：
?????? bool AssicoateDeviceWithCompletionPort(HANDLE hCompPort,HANDLE hDevice,DWORD dwCompKey)
{
???? ???? HANDLE h=CreateIoCompletionPort(hDevice,hCompPort,dwCompKey,0);
???? ???? return h==hCompPort;
};
說(shuō)明
1） CreateIoCompletionPort函數(shù)也可以一次性的既創(chuàng)建完成端口對(duì)象，又關(guān)聯(lián)到一個(gè)有效的設(shè)備句柄
2） CompletionKey是一個(gè)可以自己定義的參數(shù)，我們可以把一個(gè)結(jié)構(gòu)的地址賦給它，然后在合適的時(shí)候取出來(lái)使用，最好要保證結(jié)構(gòu)里面的內(nèi)存不是分配在棧上，除非你有十分的把握內(nèi)存會(huì)保留到你要使用的那一刻。
3） NumberOfConcurrentThreads通常用來(lái)指定要允許同時(shí)運(yùn)行的的線(xiàn)程的最大個(gè)數(shù)。通常我們指定為0，這樣系統(tǒng)會(huì)根據(jù)CPU的個(gè)數(shù)來(lái)自動(dòng)確定。創(chuàng)建和關(guān)聯(lián)的動(dòng)作完成后，系統(tǒng)會(huì)將完成端口關(guān)聯(lián)的設(shè)備句柄、完成鍵作為一條紀(jì)錄加入到這個(gè)完成端口的設(shè)備列表中。如果你有多個(gè)完成端口，就會(huì)有多個(gè)對(duì)應(yīng)的設(shè)備列表。如果設(shè)備句柄被關(guān)閉，則表中自動(dòng)刪除該紀(jì)錄。
4、完成端口線(xiàn)程的工作原理
完成端口可以幫助我們管理線(xiàn)程池，但是線(xiàn)程池中的線(xiàn)程需要我們使用_beginthreadex來(lái)創(chuàng)建，憑什么通知完成端口管理我們的新線(xiàn)程呢？答案在函數(shù)GetQueuedCompletionStatus。該函數(shù)原型：
BOOL GetQueuedCompletionStatus(
??? IN HANDLE CompletionPort,
??? OUT LPDWORD lpNumberOfBytesTransferred,
??? OUT PULONG_PTR lpCompletionKey,
??? OUT LPOVERLAPPED *lpOverlapped,
??? IN DWORD dwMilliseconds
);
這個(gè)函數(shù)試圖從指定的完成端口的I/0完成隊(duì)列中抽取紀(jì)錄。只有當(dāng)重疊I/O動(dòng)作完成的時(shí)候，完成隊(duì)列中才有紀(jì)錄。凡是調(diào)用這個(gè)函數(shù)的線(xiàn)程將被放入到完成端口的等待線(xiàn)程隊(duì)列中，因此完成端口就可以在自己的線(xiàn)程池中幫助我們維護(hù)這個(gè)線(xiàn)程。完成端口的I/0完成隊(duì)列中存放了當(dāng)重疊I/0完成的結(jié)果---- 一條紀(jì)錄，該紀(jì)錄擁有四個(gè)字段，前三項(xiàng)就對(duì)應(yīng)GetQueuedCompletionStatus函數(shù)的2、3、4參數(shù)，最后一個(gè)字段是錯(cuò)誤信息 dwError。我們也可以通過(guò)調(diào)用PostQueudCompletionStatus模擬完成了一個(gè)重疊I/0操作。
當(dāng)I/0完成隊(duì)列中出現(xiàn)了紀(jì)錄，完成端口將會(huì)檢查等待線(xiàn)程隊(duì)列，該隊(duì)列中的線(xiàn)程都是通過(guò)調(diào)用GetQueuedCompletionStatus函數(shù)使自己加入隊(duì)列的。等待線(xiàn)程隊(duì)列很簡(jiǎn)單，只是保存了這些線(xiàn)程的ID。完成端口會(huì)按照后進(jìn)先出的原則將一個(gè)線(xiàn)程隊(duì)列的ID放入到釋放線(xiàn)程列表中，同時(shí)該線(xiàn)程將從等待 GetQueuedCompletionStatus函數(shù)返回的睡眠狀態(tài)中變?yōu)榭烧{(diào)度狀態(tài)等待CPU的調(diào)度。所以我們的線(xiàn)程要想成為完成端口管理的線(xiàn)程，就必須要調(diào)用GetQueuedCompletionStatus函數(shù)。出于性能的優(yōu)化，實(shí)際上完成端口還維護(hù)了一個(gè)暫停線(xiàn)程列表，具體細(xì)節(jié)可以參考《Windows高級(jí)編程指南》，我們現(xiàn)在知道的知識(shí)，已經(jīng)足夠了。完成端口線(xiàn)程間數(shù)據(jù)傳遞線(xiàn)程間傳遞數(shù)據(jù)最常用的辦法是在_beginthreadex函數(shù)中將參數(shù)傳遞給線(xiàn)程函數(shù)，或者使用全局變量。但是完成端口還有自己的傳遞數(shù)據(jù)的方法，答案就在于CompletionKey和OVERLAPPED參數(shù)。
CompletionKey被保存在完成端口的設(shè)備表中，是和設(shè)備句柄一一對(duì)應(yīng)的，我們可以將與設(shè)備句柄相關(guān)的數(shù)據(jù)保存到CompletionKey中，或者將CompletionKey表示為結(jié)構(gòu)指針，這樣就可以傳遞更加豐富的內(nèi)容。這些內(nèi)容只能在一開(kāi)始關(guān)聯(lián)完成端口和設(shè)備句柄的時(shí)候做，因此不能在以后動(dòng)態(tài)改變。
OVERLAPPED參數(shù)是在每次調(diào)用ReadFile這樣的支持重疊I/0的函數(shù)時(shí)傳遞給完成端口的。我們可以看到，如果我們不是對(duì)文件設(shè)備做操作，該結(jié)構(gòu)的成員變量就對(duì)我們幾乎毫無(wú)作用。我們需要附加信息，可以創(chuàng)建自己的結(jié)構(gòu)，然后將OVERLAPPED結(jié)構(gòu)變量作為我們結(jié)構(gòu)變量的第一個(gè)成員，然后傳遞第一個(gè)成員變量的地址給 ReadFile函數(shù)。因?yàn)轭?lèi)型匹配，當(dāng)然可以通過(guò)編譯。當(dāng)GetQueuedCompletionStatus函數(shù)返回時(shí)，我們可以獲取到第一個(gè)成員變量的地址，然后一個(gè)簡(jiǎn)單的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，我們就可以把它當(dāng)作完整的自定義結(jié)構(gòu)的指針使用，這樣就可以傳遞很多附加的數(shù)據(jù)了。太好了！只有一點(diǎn)要注意，如果跨線(xiàn)程傳遞，請(qǐng)注意將數(shù)據(jù)分配到堆上，并且接收端應(yīng)該將數(shù)據(jù)用完后釋放。我們通常需要將ReadFile這樣的異步函數(shù)的所需要的緩沖區(qū)放到我們自定義的結(jié)構(gòu)中，這樣當(dāng)GetQueuedCompletionStatus被返回時(shí)，我們的自定義結(jié)構(gòu)的緩沖區(qū)變量中就存放了I/0操作的數(shù)據(jù)。 CompletionKey和OVERLAPPED參數(shù)，都可以通過(guò)GetQueuedCompletionStatus函數(shù)獲得。
線(xiàn)程的安全退出
?????? 很多線(xiàn)程為了不止一次的執(zhí)行異步數(shù)據(jù)處理，需要使用如下語(yǔ)句
while (true)
{
?????? ......
?????? GetQueuedCompletionStatus(...);
??????? ......
}
那么如何退出呢，答案就在于上面曾提到的PostQueudCompletionStatus函數(shù)，我們可以用它發(fā)送一個(gè)自定義的包含了OVERLAPPED成員變量的結(jié)構(gòu)地址，里面包含一個(gè)狀態(tài)變量，當(dāng)狀態(tài)變量為退出標(biāo)志時(shí)，線(xiàn)程就執(zhí)行清除動(dòng)作然后退出。
5、Windows完成端口的實(shí)例代碼：
DWORD WINAPI WorkerThread(LPVOID lpParam)
{
ULONG_PTR *PerHandleKey;
OVERLAPPED *Overlap;
OVERLAPPEDPLUS *OverlapPlus,
*newolp;
DWORD dwBytesXfered;
while (1)
{
ret = GetQueuedCompletionStatus(
hIocp,
&dwBytesXfered,
(PULONG_PTR)&PerHandleKey,
&Overlap,
INFINITE);
if (ret == 0)
{
// Operation failed
continue;
}
OverlapPlus = CONTAINING_RECORD(Overlap, OVERLAPPEDPLUS, ol);
switch (OverlapPlus->OpCode)
{
case OP_ACCEPT:
// Client socket is contained in OverlapPlus.sclient
// Add client to completion port
CreateIoCompletionPort(
(HANDLE)OverlapPlus->sclient,
hIocp,
(ULONG_PTR)0,
0);
// Need a new OVERLAPPEDPLUS structure
// for the newly accepted socket. Perhaps
// keep a look aside list of free structures.
newolp = AllocateOverlappedPlus();
if (!newolp)
{
// Error
}
newolp->s = OverlapPlus->sclient;
newolp->OpCode = OP_READ;
// This function divpares the data to be sent
PrepareSendBuffer(&newolp->wbuf);
ret = WSASend(
newolp->s,
&newolp->wbuf,
1,
&newolp->dwBytes,
0,
&newolp.ol,
NULL);
if (ret == SOCKET_ERROR)
{
if (WSAGetLastError() != WSA_IO_PENDING)
{
// Error
}
}
// Put structure in look aside list for later use
FreeOverlappedPlus(OverlapPlus);
// Signal accept thread to issue another AcceptEx
SetEvent(hAcceptThread);
break;
case OP_READ:
// Process the data read
// Repost the read if necessary, reusing the same
// receive buffer as before
memset(&OverlapPlus->ol, 0, sizeof(OVERLAPPED));
ret = WSARecv(
OverlapPlus->s,
&OverlapPlus->wbuf,
1,
&OverlapPlus->dwBytes,
&OverlapPlus->dwFlags,
&OverlapPlus->ol,
NULL);
if (ret == SOCKET_ERROR)
{
if (WSAGetLastError() != WSA_IO_PENDING)
{
// Error
}
}
break;
case OP_WRITE:
// Process the data sent, etc.
break;
} // switch
} // while
} // WorkerThread
查看以上代碼，注意如果Overlapped操作立刻失敗（比如，返回SOCKET_ERROR或其他非WSA_IO_PENDING的錯(cuò)誤），則沒(méi)有任何完成通知時(shí)間會(huì)被放到完成端口隊(duì)列里。反之，則一定有相應(yīng)的通知時(shí)間被放到完成端口隊(duì)列。更完善的關(guān)于Winsock的完成端口機(jī)制，可以參考 MSDN的Microsoft PlatFormSDK，那里有完成端口的例子。訪(fǎng)問(wèn)http://msdn.microsoft.com/library/techart/msdn_servrapp.htm可以獲得更多信息。
Linux的EPoll模型
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(gè)參數(shù)__FD_SETSIZE定義了每個(gè)FD_SET的句柄個(gè)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(shuō)，如果想要同時(shí)檢測(cè)1025個(gè)句柄的可讀狀態(tài)是不可能用select實(shí)現(xiàn)的。或者同時(shí)檢測(cè)1025個(gè)句柄的可寫(xiě)狀態(tài)也是不可能的。其次，內(nèi)核中實(shí)現(xiàn) select是用輪詢(xún)方法，即每次檢測(cè)都會(huì)遍歷所有FD_SET中的句柄，顯然，select函數(shù)執(zhí)行時(shí)間與FD_SET中的句柄個(gè)數(shù)有一個(gè)比例關(guān)系，即 select要檢測(cè)的句柄數(shù)越多就會(huì)越費(fèi)時(shí)。當(dāng)然，在前文中我并沒(méi)有提及poll方法，事實(shí)上用select的朋友一定也試過(guò)poll，我個(gè)人覺(jué)得 select和poll大同小異，個(gè)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(cè)的說(shuō)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(gè)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(shū)《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(shí)現(xiàn)，相當(dāng)不錯(cuò).作為一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)現(xiàn)，很多時(shí)候你必須作很多權(quán)衡，這時(shí)候參考一個(gè)久經(jīng)考驗(yàn)的系統(tǒng)更有實(shí)際意義。舉個(gè)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(shí)候，無(wú)論應(yīng)用層數(shù)據(jù)多大,sk_buff最小也有272的字節(jié).其實(shí)對(duì)于socket應(yīng)用層程序來(lái)說(shuō)，另外一本書(shū)《UNIX Network Programming Volume 1》意義更大一點(diǎn).2003年的時(shí)候，這本書(shū)出了最新的第3版本，不過(guò)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(guò)于select模型和Asynchronous I/O模型.從理論上說(shuō)，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(lái)，如何實(shí)現(xiàn)就沒(méi)有一個(gè)完美的方案。最著名的windows完成端口實(shí)現(xiàn)的AIO,實(shí)際上也是內(nèi)部用線(xiàn)程池實(shí)現(xiàn)的罷了，最后的結(jié)果是IO有個(gè)線(xiàn)程池，你應(yīng)用也需要一個(gè)線(xiàn)程池...... 很多文檔其實(shí)已經(jīng)指出了這帶來(lái)的線(xiàn)程context-switch帶來(lái)的代價(jià)。在linux 平臺(tái)上，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)AIO一直是改動(dòng)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(gè)。但是一直到2.6內(nèi)核發(fā)布，網(wǎng)絡(luò)模塊的AIO一直沒(méi)有進(jìn)入穩(wěn)定內(nèi)核版本(大部分都是使用用戶(hù)線(xiàn)程模擬方法，在使用了NPTL的linux上面其實(shí)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(pán)的AIO---支持io_submit(),io_getevents()以及對(duì)Direct IO的支持(就是繞過(guò)VFS系統(tǒng)buffer直接寫(xiě)硬盤(pán)，對(duì)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?cè)趌inux上面的唯一選擇，其實(shí)，如果加上no-block socket的配置，可以完成一個(gè)"偽"AIO的實(shí)現(xiàn)，只不過(guò)推動(dòng)力在于你而不是os而已。不過(guò)傳統(tǒng)的select/poll函數(shù)有著一些無(wú)法忍受的缺點(diǎn)，所以改進(jìn)一直是2.4-2.5開(kāi)發(fā)版本內(nèi)核的任務(wù)，包括/dev/poll，realtime signal等等。最終，Davide Libenzi開(kāi)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(diǎn)
<1>支持一個(gè)進(jìn)程打開(kāi)大數(shù)目的socket描述符(FD)
select 最不能忍受的是一個(gè)進(jìn)程所打開(kāi)的FD是有一定限制的，由FD_SETSIZE設(shè)置，默認(rèn)值是2048。對(duì)于那些需要支持的上萬(wàn)連接數(shù)目的IM服務(wù)器來(lái)說(shuō)顯然太少了。這時(shí)候你一是可以選擇修改這個(gè)宏然后重新編譯內(nèi)核，不過(guò)資料也同時(shí)指出這樣會(huì)帶來(lái)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(guò)雖然linux上面創(chuàng)建進(jìn)程的代價(jià)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(xiàn)程間同步的高效，所以也不是一種完美的方案。不過(guò) epoll則沒(méi)有這個(gè)限制，它所支持的FD上限是最大可以打開(kāi)文件的數(shù)目，這個(gè)數(shù)字一般遠(yuǎn)大于2048,舉個(gè)例子,在1GB內(nèi)存的機(jī)器上大約是10萬(wàn)左右，具體數(shù)目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般來(lái)說(shuō)這個(gè)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(xiàn)性下降
傳統(tǒng)的select/poll另一個(gè)致命弱點(diǎn)就是當(dāng)你擁有一個(gè)很大的socket集合，不過(guò)由于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，任一時(shí)間只有部分的socket是"活躍"的，但是select/poll每次調(diào)用都會(huì)線(xiàn)性?huà)呙枞康募希瑢?dǎo)致效率呈現(xiàn)線(xiàn)性下降。但是epoll不存在這個(gè)問(wèn)題，它只會(huì)對(duì)"活躍"的socket進(jìn)行操作---這是因?yàn)樵趦?nèi)核實(shí)現(xiàn)中epoll是根據(jù)每個(gè)fd上面的callback函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。那么，只有"活躍"的socket才會(huì)主動(dòng)的去調(diào)用 callback函數(shù)，其他idle狀態(tài)socket則不會(huì)，在這點(diǎn)上，epoll實(shí)現(xiàn)了一個(gè)"偽"AIO，因?yàn)檫@時(shí)候推動(dòng)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(gè)高速LAN環(huán)境，epoll并不比select/poll有什么效率，相反，如果過(guò)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(hù)空間的消息傳遞。
這點(diǎn)實(shí)際上涉及到epoll的具體實(shí)現(xiàn)了。無(wú)論是select,poll還是epoll都需要內(nèi)核把FD消息通知給用戶(hù)空間，如何避免不必要的內(nèi)存拷貝就很重要，在這點(diǎn)上，epoll是通過(guò)內(nèi)核于用戶(hù)空間mmap同一塊內(nèi)存實(shí)現(xiàn)的。而如果你想我一樣從2.5內(nèi)核就關(guān)注epoll的話(huà)，一定不會(huì)忘記手工 mmap這一步的。
<4>內(nèi)核微調(diào)
這一點(diǎn)其實(shí)不算epoll的優(yōu)點(diǎn)了，而是整個(gè)linux平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)。也許你可以懷疑 linux平臺(tái)，但是你無(wú)法回避linux平臺(tái)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(yùn)行時(shí)期動(dòng)態(tài)調(diào)整這個(gè)內(nèi)存pool(skb_head_pool)的大小--- 通過(guò)echo XXXX>/proc/sys/net/core/hot_list_length完成。再比如listen函數(shù)的第2個(gè)參數(shù)(TCP完成3次握手的數(shù)據(jù)包隊(duì)列長(zhǎng)度)，也可以根據(jù)你平臺(tái)內(nèi)存大小動(dòng)態(tài)調(diào)整。更甚至在一個(gè)數(shù)據(jù)包面數(shù)目巨大但同時(shí)每個(gè)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(dòng)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(kāi)發(fā)版本的/dev/epoll簡(jiǎn)潔了許多，所以，大部分情況下，強(qiáng)大的東西往往是簡(jiǎn)單的。唯一有點(diǎn)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(shí)支持block和no-block socket.在這種做法中，內(nèi)核告訴你一個(gè)文件描述符是否就緒了，然后你可以對(duì)這個(gè)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(huì)繼續(xù)通知你的，所以，這種模式編程出錯(cuò)誤可能性要小一點(diǎn)。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(shí)，內(nèi)核通過(guò)epoll告訴你。然后它會(huì)假設(shè)你知道文件描述符已經(jīng)就緒，并且不會(huì)再為那個(gè)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(gè)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(qǐng)求，或者發(fā)送接收的數(shù)據(jù)少于一定量時(shí)導(dǎo)致了一個(gè)EWOULDBLOCK 錯(cuò)誤）。但是請(qǐng)注意，如果一直不對(duì)這個(gè)fd作IO操作(從而導(dǎo)致它再次變成未就緒)，內(nèi)核不會(huì)發(fā)送更多的通知(only once),不過(guò)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(gè)系統(tǒng)調(diào)用，具體用法請(qǐng)參考http://www.xmailserver.org/linux-patches/nio-improve.html ，在http://www.kegel.com/rn/也有一個(gè)完整的例子，大家一看就知道如何使用了
Leader/follower模式線(xiàn)程pool實(shí)現(xiàn)，以及和epoll的配合。
5、 epoll的使用方法
??? 首先通過(guò)create_epoll(int maxfds)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)epoll的句柄，其中maxfds為你epoll所支持的最大句柄數(shù)。這個(gè)函數(shù)會(huì)返回一個(gè)新的epoll句柄，之后的所有操作將通過(guò)這個(gè)句柄來(lái)進(jìn)行操作。在用完之后，記得用close()來(lái)關(guān)閉這個(gè)創(chuàng)建出來(lái)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(lái)查詢(xún)所有的網(wǎng)絡(luò)接口，看哪一個(gè)可以讀，哪一個(gè)可以寫(xiě)了。基本的語(yǔ)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(gè)epoll_event*的指針，當(dāng)epoll_wait這個(gè)函數(shù)操作成功之后，epoll_events里面將儲(chǔ)存所有的讀寫(xiě)事件。max_events是當(dāng)前需要監(jiān)聽(tīng)的所有socket句柄數(shù)。最后一個(gè)timeout是 epoll_wait的超時(shí)，為0的時(shí)候表示馬上返回，為-1的時(shí)候表示一直等下去，直到有事件范圍，為任意正整數(shù)的時(shí)候表示等這么長(zhǎng)的時(shí)間，如果一直沒(méi)有事件，則范圍。一般如果網(wǎng)絡(luò)主循環(huán)是單獨(dú)的線(xiàn)程的話(huà)，可以用-1來(lái)等，這樣可以保證一些效率，如果是和主邏輯在同一個(gè)線(xiàn)程的話(huà)，則可以用0來(lái)保證主循環(huán)的效率。
epoll_wait范圍之后應(yīng)該是一個(gè)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(huà)，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(tīng)隊(duì)列。
注意，這里的參數(shù)EPOLLIN | EPOLLET并沒(méi)有設(shè)置對(duì)寫(xiě)socket的監(jiān)聽(tīng)，如果有寫(xiě)操作的話(huà)，這個(gè)時(shí)候epoll是不會(huì)返回事件的，如果要對(duì)寫(xiě)操作也監(jiān)聽(tīng)的話(huà)，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(gè)新的event通過(guò)epoll_ctl加入到epoll的監(jiān)聽(tīng)隊(duì)列里面，這里用EPOLL_CTL_ADD來(lái)加一個(gè)新的 epoll事件，通過(guò)EPOLL_CTL_DEL來(lái)減少一個(gè)epoll事件，通過(guò)EPOLL_CTL_MOD來(lái)改變一個(gè)事件的監(jiān)聽(tīng)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(huà)，則代表是一個(gè)用戶(hù)socket的事件，則來(lái)處理這個(gè)用戶(hù)socket的事情，比如說(shuō)read(fd,xxx)之類(lèi)的，或者一些其他的處理。
??????????????????? do_use_fd(events[n].data.fd);
}
對(duì)，epoll的操作就這么簡(jiǎn)單，總共不過(guò)4個(gè)API：epoll_create, epoll_ctl, epoll_wait和close。
如果您對(duì)epoll的效率還不太了解，請(qǐng)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(huà)，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(lái)進(jìn)行連接。雖然使用SOCKET之后，對(duì)于用戶(hù)的費(fèi)用可能會(huì)增加(由于是用了CMNET而非CMWAP)，但是，秉著用戶(hù)體驗(yàn)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(jì)中，最重要的一個(gè)突破，是使用了EPOLL模型，雖然對(duì)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(guò)了如此嚴(yán)酷的考驗(yàn)，相信他不會(huì)讓我們失望，使用后的結(jié)果，確實(shí)也是表現(xiàn)相當(dāng)不錯(cuò)。在這里，我還是主要大致介紹一下這個(gè)模型的結(jié)構(gòu)。
6、Linux下EPOll編程實(shí)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(shí)間的發(fā)生，相當(dāng)于監(jiān)聽(tīng)，至于相關(guān)的端口，需要在初始化EPOLL的時(shí)候綁定。
if (nfds <= 0)
continue;
m_bOnTimeChecking = FALSE;
G_CurTime = time(NULL);
for (int i=0; i
{
try
{
if (m_events[i].data.fd == m_listen_http_fd)//如果新監(jiān)測(cè)到一個(gè)HTTP用戶(hù)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(méi)用。
{
OnAcceptHttpEpoll ();
}
else if (m_events[i].data.fd == m_listen_sock_fd)//如果新監(jiān)測(cè)到一個(gè)SOCKET用戶(hù)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(hù)，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(dòng)連接是否有需要寫(xiě)出的數(shù)據(jù)。
}
catch (int)
{
PRINTF ("CATCH捕獲錯(cuò)誤\n");
continue;
}
}
m_bOnTimeChecking = TRUE;
OnTimer ();//進(jìn)行一些定時(shí)的操作，主要就是刪除一些短線(xiàn)用戶(hù)等。
}
其實(shí)EPOLL的精華，也就是上述的幾段短短的代碼，看來(lái)時(shí)代真的不同了，以前如何接受大量用戶(hù)連接的問(wèn)題，現(xiàn)在卻被如此輕松的搞定，真是讓人不得不感嘆，對(duì)哪。
總結(jié)
Windows完成端口與Linux epoll技術(shù)方案是這2個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)異步IO和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一個(gè)大容量，具可擴(kuò)展性的winsock程序指服務(wù)程序的很好的選擇，本文對(duì)這2中技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理和實(shí)際的使用方法做了一個(gè)詳細(xì)的介紹。