select这个系统调用的原型如下
第一个参数nfds用来告诉内核 要扫描的socket fd的数量+1 ,select系统调用最大接收的数量是1024,但是如果每次都去扫描1024,实际上的数量并不多,则效率太低,这里可以指定需要扫描的数量。 最大数量为1024,如果需要修改这个数量,则需要重新编译Linux内核源码。
第2、3、4个参数分别是readfds、writefds、exceptfds,传递的参数应该是fd_set 类型的引用,内核会检测每个socket的fd, 如果没有读事件,就将对应的fd从第二个参数传入的fd_set中移除,如果没有写事件,就将对应的fd从第二个参数的fd_set中移除,如果没有异常事件,就将对应的fd从第三个参数的fd_set中移除 。这里我们应该 要将实际的readfds、writefds、exceptfds拷贝一份副本传进去,而不是传入原引用,因为如果传递的是原引用,某些socket可能就已经丢失 。
最后一个参数是等待时间, 传入0表示非阻塞,传入>0表示等待一定时间,传入NULL表示阻塞,直到等到某个socket就绪 。
FD_ZERO()这个函数将fd_set中的所有bit清0,一般用来进行初始化等。
FD_CLR()这个函数用来将bitmap(fd_set )中的某个bit清0,在客户端异常退出时就会用到这个函数,将fd从fd_set中删除。
FD_ISSET()用来判断某个bit是否被置1了,也就是判断某个fd是否在fd_set中。
FD_SET()这个函数用来将某个fd加入fd_set中,当客户端新加入连接时就会使用到这个函数。
epoll_create系统调用用来创建epfd,会在开辟一块内存空间(epoll的结构空间)。size为epoll上能关注的最大描述符数,不够会进行扩展,size只要>0就行,早期的设计size是固定大小,但是现在size参数没什么用,会自动扩展。
返回值是epfd,如果为-1则说明创建epoll对象失败 。
第一个参数epfd传入的就是epoll_create返回的epfd。
第二个参数传入对应 *** 作的宏,包括 增删改(EPOLL_CTL_ADD、EPOLL_CTL_DEL、EPOLL_CTL_MOD) 。
第三个参数传入的是 需要增删改的socket的fd 。
第四个参数传入的是 需要 *** 作的fd的哪些事件 ,具体的事件可以看后续。
返回值是一个int类型,如果为-1则说明 *** 作失败 。
第一个参数是epfd,也就是epoll_create的返回值。
第二个参数是一个epoll_event类型的指针,也就是传入的是一个数组指针。 内核会将就绪的socket的事件拷贝到这个数组中,用户可以根据这个数组拿到事件和消息等 。
第三个参数是maxevents,传入的是 第二个参数的数组的容量 。
第四个参数是timeout, 如果设为-1一直阻塞直到有就绪数据为止,如果设为0立即返回,如果>0那么阻塞一段时间 。
返回值是一个int类型,也就是就绪的socket的事件的数量(内核拷贝给用户的events的元素的数量),通过这个数量可以进行遍历处理每个事件 。
一般需要传入 ev.data.fd 和 ev.events ,也就是fd和需要监控的fd的事件。事件如果需要传入多个,可以通过按位与来连接,比如需要监控读写事件,只需要像如下这样 *** 作即可: ev.events=EPOLLIN | EPOLLOUT 。
LT(水平触发), 默认 的工作模式, 事件就绪后用户可以选择处理和不处理,如果用户不处理,内核会对这部分数据进行维护,那么下次调用epoll_wait()时仍旧会打包出来 。
ET(边缘触发),事件就绪之后, 用户必须进行处理 ,因为内核把事件打包出来之后就把对应的就绪事件给清掉了, 如果不处理那么就绪事件就没了 。ET可以减少epoll事件被重复触发的次数,效率比LT高。
如果需要设置为边缘触发只需要设置事件为类似 ev.events=EPOLLIN | EPOLLET 即可 。
select/poll/epoll是nio多路复用技术, 传统的bio无法实现C10K/C100K ,也就是无法满足1w/10w的并发量,在这么高的并发量下,在进行上下文切换就很容易将服务器的负载拉飞。
1.将fd_set从用户态拷贝到内核态
2.根据fd_set扫描内存中的socket的fd的状态,时间复杂度为O(n)
3.检查fd_set,如果有已经就绪的socket,就给对应的socket的fd打标记,那么就return 就绪socket的数量并唤醒当前线程,如果没有就绪的socket就继续阻塞当前线程直到有socket就绪才将当前线程唤醒。
4.如果想要获取当前已经就绪的socket列表,则还需要进行一次系统调用,使用O(n)的时间去扫描socket的fd列表,将已经打上标记的socket的fd返回。
CPU在同一个时刻只能执行一个程序,通过RR时间片轮转去切换执行各个程序。没有被挂起的进程(线程)则在工作队列中排队等待CPU的执行,将进程(线程)从工作队列中移除就是挂起,反映到Java层面的就是线程的阻塞。
什么是中断?当我们使用键盘、鼠标等IO设备的时候,会给主板一个电流信号,这个电流信号就给CPU一个中断信号,CPU执行完当前的指令便会保存现场,然后执行键盘/鼠标等设备的中断程序,让中断程序获取CPU的使用权,在中断程序后又将现场恢复,继续执行之前的进程。
如果第一次没检测到就绪的socket,就要将其进程(线程)从工作队列中移除,并加入到socket的等待队列中。
socket包含读缓冲区+写缓冲区+等待队列(放线程或eventpoll对象)
当从客户端往服务器端发送数据时,使用TCP/IP协议将通过物理链路、网线发给服务器的网卡设备,网卡的DMA设备将接收到的的数据写入到内存中的一块区域(网卡缓冲区),然后会给CPU发出一个中断信号,CPU执行完当前指令则会保存现场,然后网卡的中断程序就获得了CPU的使用权,然后CPU便开始执行网卡的中断程序,将内存中的缓存区中的数据包拿出,判断端口号便可以判断它是哪个socket的数据,将数据包写入对应的socket的读(输入)缓冲区,去检查对应的socket的等待队列有没有等待着的进程(线程),如果有就将该线程(进程)从socket的等待队列中移除,将其加入工作队列,这时候该进程(线程)就再次拥有了CPU的使用权限,到这里中断程序就结束了。
之后这个进程(线程)就执行select函数再次去检查fd_set就能发现有socket缓冲区中有数据了,就将该socket的fd打标记,这个时候select函数就执行完了,这时候就会给上层返回一个int类型的数值,表示已经就绪的socket的数量或者是发生了错误。这个时候就再进行内核态到用户态的切换,对已经打标记的socket的fd进行处理。
将原本1024bit长度的bitmap(fd_set)换成了数组的方式传入 ,可以 解决原本1024个不够用的情况 ,因为传入的是数组,长度可以不止是1024了,因此socket数量可以更多,在Kernel底层会将数组转换成链表。
在十多年前,linux2.6之前,不支持epoll,当时可能会选择用Windows/Unix用作服务器,而不会去选择Linux,因为select/poll会随着并发量的上升,性能变得越来越低,每次都得检查所有的Socket列表。
1.select/poll每次调用都必须根据提供所有的socket集合,然后就 会涉及到将这个集合从用户空间拷贝到内核空间,在这个过程中很耗费性能 。但是 其实每次的socket集合的变化也许并不大,也许就1-2个socket ,但是它会全部进行拷贝,全部进行遍历一一判断是否就绪。
2.select/poll的返回类型是int,只能代表当前的就绪的socket的数量/发生了错误, 如果还需要知道是哪些socket就绪了,则还需要再次使用系统调用去检查哪些socket是就绪的,又是一次O(n)的 *** 作,很耗费性能 。
1.epoll在Kernel内核中存储了对应的数据结构(eventpoll)。我们可以 使用epoll_create()这个系统调用去创建一个eventpoll对象 ,并返回eventpoll的对象id(epfd),eventpoll对象主要包括三个部分:需要处理的正在监听的socket_fd列表(红黑树结构)、socket就绪列表以及等待队列(线程)。
2.我们可以使用epoll_ctl()这个系统调用对socket_fd列表进行CRUD *** 作,因为可能频繁地进行CRUD,因此 socket_fd使用的是红黑树的结构 ,让其效率能更高。epoll_ctl()传递的参数主要是epfd(eventpoll对象id)。
3.epoll_wait()这个系统调用默认会 将当前进程(线程)阻塞,加入到eventpoll对象的等待队列中,直到socket就绪列表中有socket,才会将该进程(线程)重新加入工作队列 ,并返回就绪队列中的socket的数量。
socket包含读缓冲区、写缓冲区和等待队列。当使用epoll_ctl()系统调用将socket新加入socket_fd列表时,就会将eventpoll对象引用加到socket的等待队列中, 当网卡的中断程序发现socket的等待队列中不是一个进程(线程),而是一个eventpoll对象的引用,就将socket引用追加到eventpoll对象的就绪列表的尾部 。而eventpoll对象中的等待队列存放的就是调用了epoll_wait()的进程(线程),网卡的中断程序执行会将等待队列中的进程(线程)重新加入工作队列,让其拥有占用CPU执行的资格。epoll_wait()的返回值是int类型,返回的是就绪的socket的数量/发生错误,-1表示发生错误。
epoll的参数有传入一个epoll_event的数组指针(作为输出参数),在调用epoll_wait()返回的同时,Kernel内核还会将就绪的socket列表添加到epoll_event类型的数组当中。
epoll是linux IO多路复用的管理机制,现在是linux平台高性能网络io必要的组件。
理解内核epoll的运行原理,需要从四方面来理解:
1.epoll的数据结构。2.epoll的线程安全。
3.epoll的内核回调。4.epoll的LT与ET。
主要两个结构体 eventpoll 与 epitem。
eventpoll是每一个epoll所对应的,epitem是每一个IO所对应的事件。
数据结构图下图所示
list用来存储准备就绪的IO,内核IO准备就绪的时候,会执行epoll_event_callback的回调函数,将epitem添加到list中;当epoll_wait激活重新运行的时候,将list的epitem逐一copy到events参数中。
rbtree用来存储所有的io数据,方便快速通过io_fd查找;epoll_ctl执行EPOLL_CTL_ADD *** 作时,将epitem添加到rbtree中;epoll_ctl执行EPOLL_CTL_DEL *** 作时,将epitem从retree中删除。
以下几个包括list *** 作,rbtree *** 作,epoll_wait的等待需要加锁。
list使用最小粒度的spinlock锁,避免多核竞争。
rbtree的添加使用互斥锁,
epoll_wait采用pthread_cond_wait
1.tcp三次握手,对端反馈ack,socket进入rcvd状态,需要将监听的socket的event置为EPOLLIN,此时标识可以进入到accept读取socket数据。
2.established状态时,收到数据,将socket的event置为EPOLLIN状态。
3.established状态时 收到fin,socket进入close_Wait,需要将socket的event设置为EPOLLIN,读取断开信息
4 . 检测到socket的send状态,cwnd >0可以发送的数据,需要将socket置为EPOLLOUT。
LT(水平触发):socket接收缓冲区不为空 有数据可读,读事件一直触发;socket发送缓冲区不满,可以继续写入数据,写事件一直触发。
ET(边缘触发):socket接收缓冲区变化时触发读事件,空的接收缓冲区刚接收到数据时触发读事件;socket发送缓冲区状态发生变化时触发写事件,即满的缓冲区刚空出空间时触发读事件。
LT的处理过程:
accept一个连接,添加到epoll中监听EPOLLIN事件。
当EPOLLIN事件到达时,read fd中的数据并处理,
当需要写出数据时,把数据write到fd中;如果数据较大,无法一次性写出,那么在epoll中监听EPOLLOUT事件。
当EPOLLOUT事件到达时,继续把数据write到fd中 ;如果数据写出完毕,那么在epoll中关闭EPOLLOUT事件。
ET的处理过程:
accept一个连接,添加到epoll中监听EPOLLIN|EPOLLOUT事件
当EPOLLIN事件到达时,read fd中数据并处理,read需要一直读,直到返回EAGAIN为止
当需要写出数据时,把数据write到fd中,直到数据全部写完或者write返回EAGAIN
当EPOLLOUT事件到达时,继续把数据write到fd中,直到数据全部写完,或者write返回EAGAIN
accept要考虑两个问题:
阻塞模式accept存在的问题:TCP连接被客户端夭折,即服务器调用accept之前,客户端主动发送RST终止连接,导致刚刚建立的连接从就绪队列中移出,如果套接口被设置成阻塞模式,服务器就一直阻塞到accept调用上,直到其他某个客户建立一个新的连接为止。在此期间,服务器 单纯阻塞在accept调用上,就绪队列上其他描述符都得不到处理。解决办法是把监听的套接口设置成非阻塞的,客户端在在服务器端调用accept之前中止某个连接时,accept调用可以立即返回-1。
ET模式accept存在的问题:
多个连接同时到达,,服务器TCP就行连接瞬间积累多个就绪连接,由于是边缘触发模式,epoll只会通知一次,accept只处理一个连接,导致TCP就绪队列中剩下的连接都得不到处理,解决办法是,while循环 中accpet调用,处理完accept就绪队列中所有连接后再退出循环。如何知道是否处理完所有连接,accept返回-1并且error设置为errno设置为EAGAIN便是所有连接都处理完。
LT 只要event为EPOLLIN时就能不断调用回调函数
ET 如果从EPOLLOUT变化为EPOLLIN时候,就会触发。
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