Linux 2.6內(nèi)核中提高網(wǎng)絡(luò)I/O性能的新方法epoll
正如我昨天在“Linux下各類TCP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)源代碼”(http://zhoulifa.bokee.com/5345930.html)一文中提到的那樣，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)。
感謝chinaunix.net上朋友safedead(http://bbs.chinaunix.net/viewpro.php?uid=407631)提醒，我今天仔細(xì)研究了一下，證實(shí)了在2.6內(nèi)核中的新的I/O技術(shù)epoll。
1、為什么select是落后的？
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?；蛘咄瑫r(shí)檢測(cè)1025個(gè)句柄的可寫狀態(tài)也是不可能的。
其次，內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)select是用輪詢方法，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。
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*filename: Linux 2.6內(nèi)核中提高網(wǎng)絡(luò)I/O性能的新方法epoll
*purpose: 補(bǔ)充“Linux下各類TCP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)源代碼”一文的不足之處
*wrote by: zhoulifa(zhoulifa@163.com) 周立發(fā)(http://zhoulifa.bokee.com)
Linux愛(ài)好者 Linux知識(shí)傳播者 SOHO族 開(kāi)發(fā)者 最擅長(zhǎng)C語(yǔ)言
*date time:2006-07-06 22:30:00
*Note: 任何人可以任意復(fù)制代碼并運(yùn)用這些文檔，當(dāng)然包括你的商業(yè)用途
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*Hope:希望越來(lái)越多的人貢獻(xiàn)自己的力量，為科學(xué)技術(shù)發(fā)展出力
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2、2.6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)
以下文章轉(zhuǎn)自滕昱的Web Log http://mechgouki.spaces.msn.com/blog/PersonalSpace.aspx/*********************************引用開(kāi)始******************************/
Linux2.6內(nèi)核epoll介紹---我的blog 2005/3/30
[作者]：滕昱,2005/3/30,0.1版本
[版權(quán)聲明]：此文檔遵循GNU自由文檔許可證(GNU Free Documentation License).任何人可以自由復(fù)制,分發(fā),修改,不過(guò)如果方便,請(qǐng)注明出處和作者:)
(1)導(dǎo)言：
首先，我強(qiáng)烈建議大家閱讀Richard Stevens著作《TCP/IP Illustracted Volume 1,2,3》和《UNIX Network Programming Volume 1,2》。雖然他離開(kāi)我們大家已經(jīng)5年多了，但是他的書依然是進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)編程的最直接的道路。其中的3卷的《TCP/IP Illustracted》卷1是必讀－如果你不了解tcp協(xié)議各個(gè)選項(xiàng)的詳細(xì)定義，你就失去了優(yōu)化程序重要的一個(gè)手段。卷2,3可以選讀一下。比如卷2 講解的是4.4BSD內(nèi)核TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)----這個(gè)版本的協(xié)議棧幾乎影響了現(xiàn)在所有的主流os，但是因?yàn)槟甏眠h(yuǎn)，內(nèi)容不一定那么vogue. 在這里我多推薦一本《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)，《UNIX Network Programming Volume 1》意義更大一點(diǎn).2003年的時(shí)候，這本書出了最新的第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)部用線程池實(shí)現(xiàn)的罷了，最后的結(jié)果是IO有個(gè)線程池，你應(yīng)用也需要一個(gè)線程池...... 很多文檔其實(shí)已經(jīng)指出了這帶來(lái)的線程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線程模擬方法，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直接寫硬盤，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，reltime 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
(2)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(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，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)。
(3)epoll的使用
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
(4)Leader/follower模式線程pool實(shí)現(xiàn)，以及和epoll的配合
.....未完成，主要是要避免過(guò)多的epoll_ctl調(diào)用,以及嘗試使用EPOLLONESHOT加速......
(5)benchmark
.......未完成
/*********************************引用結(jié)束******************************/
3、epoll的使用方法
這是epoll的man手冊(cè)提供的一個(gè)例子，這段代碼假設(shè)一個(gè)非阻塞的socket監(jiān)聽(tīng)listener被建立并且一個(gè)epoll句柄kdpfd已經(jīng)提前用epoll_create建立了： struct epoll_event ev, *events;
for(;;) {
nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1);/*wait for an I/O event. All notes here added by zhoulifa(http://zhoulifa.bokee.com) on 2006-7-6 22:10:00*/
for(n = 0; n < nfds; ++n) {
if(events[n].data.fd == listener) {/*if listen socket has an I/O, accept the new connect*/
client = accept(listener, (struct sockaddr *) &local,
&addrlen);
if(client < 0){
perror("accept");
continue;
}
setnonblocking(client);
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;/*EPOLLIN-available for read*/
ev.data.fd = client;
if (epoll_ctl(kdpfd, EPOLL_CTL_ADD, client, &ev) < 0) {/*add the new socket into the epoll file descriptors*/
fprintf(stderr, "epoll set insertion error: fd=%d\n",
client);
return -1;
}
}
else
do_use_fd(events[n].data.fd);/*read from a socket which has data come*/
}
}
4、epoll使用方法示意代碼
以下代碼由chinaunix.net上BBS用戶safedead(http://bbs.chinaunix.net/viewpro.php?uid=407631)提供：
static int s_epfd;//epoll描述字
{//初始化epoll
&nsp; struct epoll_event ev;
//設(shè)置epoll
s_epfd = epoll_create(65535);
{//這個(gè)過(guò)程可以循環(huán)以便加入多個(gè)LISTEN套接字進(jìn)入epoll事件集合
//服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)創(chuàng)建
rc = listen();//listen參數(shù)這里省略
//加入epoll事件集合
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = rc;
if (epoll_ctl(s_epfd, EPOLL_CTL_ADD, rc, &ev) < 0) {
fprintf(stderr, "epoll set insertion error: fd=%d", rc);
return(-1);
}
}
}
{//epoll事件處理
int i, nfds, sock_new;
struct epoll_event events[16384];
for( ; ; ) {
//等待epoll事件
nfds = epoll_wait(s_epfd, events, 16384, -1);
//處理epoll事件
for(i = 0; i < nfds; i++) {
//events[i].data.fd是epoll事件中彈出的套接字
//接收連接
sock_new = accept(events[i].data.fd);//accept其它參數(shù)這里省略了
if(0 > sock_new) {
fprintf(stderr, "接收客戶端連接失敗\n");
continue;
}
}
}
}
對(duì)照safedead和前面的一份代碼，我想大家一定是明白了的。