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一、从网卡接收数据说起
二、如何知道接收了数据?
三、进程阻塞为什么不占用 cpu 资源?
四、内核接收网络数据全过程
五、同时监视多个 socket 的简单方法
六、epoll 的设计思路
七、epoll 的原理和流程
八、epoll 的实现细节
九、结论
从事服务端开发,少不了要接触网络编程。epoll 作为 linux 下高性能网络服务器的必备技术至关重要,nginx、redis、skynet 和大部分游戏服务器都使用到这一多路复用技术。
因为 epoll 的重要性,不少游戏公司在招聘服务端同学时,会问及 epoll 相关的问题。比如 epoll 和 select 的区别是什么?epoll 高效率的原因是什么?如果只靠背诵,显然不能算上深刻的理解。
网上虽然也有不少讲解 epoll 的文章,但要不是过于浅显,就是陷入源码解析,很少能有通俗易懂的。于是决定编写此文,让缺乏专业背景知识的读者也能够明白 epoll 的原理。文章核心思想是:
要让读者清晰明白 EPOLL 为什么性能好。
本文会从网卡接收数据的流程讲起,串联起 CPU 中断、操作系统进程调度等知识;再一步步分析阻塞接收数据、select 到 epoll 的进化过程;最后探究 epoll 的实现细节。
一、从网卡接收数据开始
下图是一个典型的计算机结构图,计算机由 CPU、存储器(内存)、网络接口等部件组成。了解 epoll 本质的第一步,要从硬件的角度看计算机怎样接收网络数据。
计算机结构图(图片来源:linux 内核完全注释之微型计算机组成结构)
下图展示了网卡接收数据的过程。在①阶段,网卡收到网线传来的数据;经过②阶段的硬件电路的传输;最终将数据写入到内存中的某个地址上(③阶段)。这个过程涉及到 DMA 传输、IO 通路选择等硬件有关的知识,但我们只需知道:网卡会把接收到的数据写入内存。
网卡接收数据的过程
通过硬件传输,网卡接收的数据存放到内存中。操作系统就可以去读取它们。
二、如何知道接收到了数据
了解 epoll 本质的第二步,要从 CPU 的角度来看数据接收。要理解这个问题,要先了解一个概念——中断。
计算机执行程序时,会有优先级的需求。比如,当计算机收到断电信号时(电容可以保存少许电量,供 CPU 运行很短的一小段时间),它应立即去保存数据,保存数据的程序具有较高的优先级。
一般而言,由硬件产生的信号需要 cpu 立马做出回应(不然数据可能就丢失),所以它的优先级很高。cpu 理应中断掉正在执行的程序,去做出响应;当 cpu 完成对硬件的响应后,再重新执行用户程序。中断的过程如下图,和函数调用差不多。只不过函数调用是事先定好位置,而中断的位置由 “信号” 决定。
中断程序调用
以键盘为例,当用户按下键盘某个按键时,键盘会给 cpu 的中断引脚发出一个高电平。cpu 能够捕获这个信号,然后执行键盘中断程序。下图展示了各种硬件通过中断与 cpu 交互。
cpu 中断(图片来源:net.pku.edu.cn)
现在可以回答本节提出的问题了:当网卡把数据写入到内存后,网卡向 cpu 发出一个中断信号,操作系统便能得知有新数据到来,再通过网卡中断程序去处理数据。
三、进程阻塞为什么不占用 cpu 资源?
了解 epoll 本质的第三步,要从操作系统进程调度的角度来看数据接收。阻塞是进程调度的关键一环,指的是进程在等待某事件(如接收到网络数据)发生之前的等待状态,recv、select 和 epoll 都是阻塞方法。了解 “进程阻塞为什么不占用 cpu 资源?”,也就能够了解这一步。
为简单起见,我们从普通的 recv 接收开始分析,先看看下面代码:
// 创建
socketint s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// 绑定
bind(s, ...)
// 监听
listen(s, ...)
// 接受客户端连接
int c = accept(s, ...)
// 接收客户端数据
recv(c, ...);
// 将数据打印出来
printf(...)
这是一段最基础的网络编程代码,先新建 socket 对象,依次调用 bind、listen、accept,最后调用 recv 接收数据。recv 是个阻塞方法,当程序运行到 recv 时,它会一直等待,直到接收到数据才往下执行。
1、工作队列
操作系统为了支持多任务,实现了进程调度的功能,会把进程分为 “运行” 和“等待”等几种状态。运行状态是进程获得 cpu 使用权,正在执行代码的状态;等待状态是阻塞状态,比如上述程序运行到 recv 时,程序会从运行状态变为等待状态,接收到数据后又变回运行状态。操作系统会分时执行各个运行状态的进程,由于速度很快,看上去就像是同时执行多个任务。
下图中的计算机中运行着 A、B、C 三个进程,其中进程 A 执行着上述基础网络程序,一开始,这 3 个进程都被操作系统的工作队列所引用,处于运行状态,会分时执行。
2、等待队列
当进程 A 执行到创建 socket 的语句时,操作系统会创建一个由文件系统管理的 socket 对象(如下图)。这个 socket 对象包含了发送缓冲区、接收缓冲区、等待队列等成员。等待队列是个非常重要的结构,它指向所有需要等待该 socket 事件的进程。
创建 socket
当程序执行到 recv 时,操作系统会将进程 A 从工作队列移动到该 socket 的等待队列中(如下图)。由于工作队列只剩下了进程 B 和 C,依据进程调度,cpu 会轮流执行这两个进程的程序,不会执行进程 A 的程序。所以进程 A 被阻塞,不会往下执行代码,也不会占用 cpu 资源。
socket 的等待队列
ps:操作系统添加等待队列只是添加了对这个 “等待中” 进程的引用,以便在接收到数据时获取进程对象、将其唤醒,而非直接将进程管理纳入自己之下。上图为了方便说明,直接将进程挂到等待队列之下。
3、唤醒进程
当 socket 接收到数据后,操作系统将该 socket 等待队列上的进程重新放回到工作队列,该进程变成运行状态,继续执行代码。也由于 socket 的接收缓冲区已经有了数据,recv 可以返回接收到的数据。
四、内核接收网络数据全过程
这一步,贯穿网卡、中断、进程调度的知识,叙述阻塞 recv 下,内核接收数据全过程。
如下图所示,进程在 recv 阻塞期间,计算机收到了对端传送的数据(步骤①)。数据经由网卡传送到内存(步骤②),然后网卡通过中断信号通知 cpu 有数据到达,cpu 执行中断程序(步骤③)。此处的中断程序主要有两项功能,先将网络数据写入到对应 socket 的接收缓冲区里面(步骤④),再唤醒进程 A(步骤⑤),重新将进程 A 放入工作队列中。
内核接收数据全过程
唤醒进程的过程如下图所示。
唤醒进程
以上是内核接收数据全过程
这里留有两个思考题,大家先想一想。
其一,操作系统如何知道网络数据对应于哪个 socket?
其二,如何同时监视多个 socket 的数据?
(——我是分割线,想好了才能往下看哦~)
公布答案的时刻到了。
第一个问题:因为一个 socket 对应着一个端口号,而网络数据包中包含了 ip 和端口的信息,内核可以通过端口号找到对应的 socket。当然,为了提高处理速度,操作系统会维护端口号到 socket 的索引结构,以快速读取。
五、同时监视多个socket的简单方法
服务端需要管理多个客户端连接,而 recv 只能监视单个 socket,这种矛盾下,人们开始寻找监视多个 socket 的方法。epoll 的要义是高效的监视多个 socket。从历史发展角度看,必然先出现一种不太高效的方法,人们再加以改进。只有先理解了不太高效的方法,才能够理解 epoll 的本质。
假如能够预先传入一个 socket 列表,如果列表中的 socket 都没有数据,挂起进程,直到有一个 socket 收到数据,唤醒进程。这种方法很直接,也是 select 的设计思想。
为方便理解,我们先复习 select 的用法。在如下的代码中,先准备一个数组(下面代码中的 fds),让 fds 存放着所有需要监视的 socket。然后调用 select,如果 fds 中的所有 socket 都没有数据,select 会阻塞,直到有一个 socket 接收到数据,select 返回,唤醒进程。用户可以遍历 fds,通过 FD_ISSET 判断具体哪个 socket 收到数据,然后做出处理。
int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); bind(s, ...)listen(s, ...)
int fds[] = 存放需要监听的 socket
while(1){
int n = select(..., fds, ...)
for(int i=0; i < fds.count; i++){
if(FD_ISSET(fds[i], ...)){
//fds[i]的数据处理
}
}}
select 的流程
select 的实现思路很直接。假如程序同时监视如下图的 sock1、sock2 和 sock3 三个 socket,那么在调用 select 之后,操作系统把进程 A 分别加入这三个 socket 的等待队列中。
操作系统把进程 A 分别加入这三个 socket 的等待队列中
当任何一个 socket 收到数据后,中断程序将唤起进程。下图展示了 sock2 接收到了数据的处理流程。
ps:recv 和 select 的中断回调可以设置成不同的内容。
sock2 接收到了数据,中断程序唤起进程 A
所谓唤起进程,就是将进程从所有的等待队列中移除,加入到工作队列里面。如下图所示。
将进程 A 从所有等待队列中移除,再加入到工作队列里面
经由这些步骤,当进程 A 被唤醒后,它知道至少有一个 socket 接收了数据。程序只需遍历一遍 socket 列表,就可以得到就绪的 socket。
这种简单方式行之有效,在几乎所有操作系统都有对应的实现。
select缺点:
其一,每次调用 select 都需要将进程加入到所有监视 socket 的等待队列,每次唤醒都需要从每个队列中移除。这里涉及了两次遍历,而且每次都要将整个 fds 列表传递给内核,有一定的开销。正是因为遍历操作开销大,出于效率的考量,才会规定 select 的最大监视数量,默认只能监视 1024 个 socket。
其二,进程被唤醒后,程序并不知道哪些 socket 收到数据,还需要遍历一次。
那么,有没有减少遍历的方法?有没有保存就绪 socket 的方法?这两个问题便是 epoll 技术要解决的。
补充说明:本节只解释了 select 的一种情形。当程序调用 select 时,内核会先遍历一遍 socket,如果有一个以上的 socket 接收缓冲区有数据,那么 select 直接返回,不会阻塞。这也是为什么 select 的返回值有可能大于 1 的原因之一。如果没有 socket 有数据,进程才会阻塞。
六、epoll 的设计思路
epoll 是在 select 出现 N 多年后才被发明的,是 select 和 poll 的增强版本。epoll 通过以下一些措施来改进效率。
措施一:功能分离
select 低效的原因之一是将 “维护等待队列” 和“阻塞进程”两个步骤合二为一。如下图所示,每次调用 select 都需要这两步操作,然而大多数应用场景中,需要监视的 socket 相对固定,并不需要每次都修改。epoll 将这两个操作分开,先用 epoll_ctl 维护等待队列,再调用 epoll_wait 阻塞进程。显而易见的,效率就能得到提升。
相比 select,epoll 拆分了功能
为方便理解后续的内容,我们先复习下 epoll 的用法。如下的代码中,先用 epoll_create 创建一个 epoll 对象 epfd,再通过 epoll_ctl 将需要监视的 socket 添加到 epfd 中,最后调用 epoll_wait 等待数据。
int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); bind(s, ...)listen(s, ...)
int epfd = epoll_create(...);
epoll_ctl(epfd, ...); // 将所有需要监听的 socket 添加到 epfd 中
while(1){
int n = epoll_wait(...)
for(接收到数据的 socket){
// 处理
}}
功能分离,使得 epoll 有了优化的可能。
措施二:就绪列表
select 低效的另一个原因在于程序不知道哪些 socket 收到数据,只能一个个遍历。如果内核维护一个 “就绪列表”,引用收到数据的 socket,就能避免遍历。如下图所示,计算机共有三个 socket,收到数据的 sock2 和 sock3 被 rdlist(就绪列表)所引用。当进程被唤醒后,只要获取 rdlist 的内容,就能够知道哪些 socket 收到数据。
七、epoll的原理和流程
1、创建 epoll 对象
如下图所示,当某个进程调用 epoll_create 方法时,内核会创建一个 eventpoll 对象(也就是程序中 epfd 所代表的对象)。eventpoll 对象也是文件系统中的一员,和 socket 一样,它也会有等待队列。
内核创建 eventpoll 对象
创建一个代表该 epoll 的 eventpoll 对象是必须的,因为内核要维护 “就绪列表” 等数据,“就绪列表”可以作为 eventpoll 的成员。
2、维护监视列表
创建 epoll 对象后,可以用 epoll_ctl 添加或删除所要监听的 socket。以添加 socket 为例,如下图,如果通过 epoll_ctl 添加 sock1、sock2 和 sock3 的监视,内核会将 eventpoll 添加到这三个 socket 的等待队列中。
添加所要监听的 socket
当 socket 收到数据后,中断程序会操作 eventpoll 对象,而不是直接操作进程。
3、接收数据
当 socket 收到数据后,中断程序会给 eventpoll 的 “就绪列表” 添加 socket 引用。如下图展示的是 sock2 和 sock3 收到数据后,中断程序让 rdlist 引用这两个 socket。
给就绪列表添加引用
eventpoll 对象相当于是 socket 和进程之间的中介,socket 的数据接收并不直接影响进程,而是通过改变 eventpoll 的就绪列表来改变进程状态。
当程序执行到 epoll_wait 时,如果 rdlist 已经引用了 socket,那么 epoll_wait 直接返回,如果 rdlist 为空,阻塞进程。
4、阻塞和唤醒进程
假设计算机中正在运行进程 A 和进程 B,在某时刻进程 A 运行到了 epoll_wait 语句。如下图所示,内核会将进程 A 放入 eventpoll 的等待队列中,阻塞进程。
epoll_wait 阻塞进程
当 socket 接收到数据,中断程序一方面修改 rdlist,另一方面唤醒 eventpoll 等待队列中的进程,进程 A 再次进入运行状态(如下图)。也因为 rdlist 的存在,进程 A 可以知道哪些 socket 发生了变化。
八、epoll的实现细节
至此,相信读者对 epoll 的本质已经有一定的了解。但我们还留有一个问题,eventpoll 的数据结构是什么样子?
再留两个问题,就绪队列应该应使用什么数据结构?eventpoll 应使用什么数据结构来管理通过 epoll_ctl 添加或删除的 socket?
(——我是分割线,想好了才能往下看哦~)
如下图所示,eventpoll 包含了 lock、mtx、wq(等待队列)、rdlist 等成员。rdlist 和 rbr 是我们所关心的。
epoll 原理示意图,图片来源:《深入理解 Nginx:模块开发与架构解析 (第二版)》,陶辉
1、就绪列表的数据结构
就绪列表引用着就绪的 socket,所以它应能够快速的插入数据。
程序可能随时调用 epoll_ctl 添加监视 socket,也可能随时删除。当删除时,若该 socket 已经存放在就绪列表中,它也应该被移除。
所以就绪列表应是一种能够快速插入和删除的数据结构。双向链表就是这样一种数据结构,epoll 使用双向链表来实现就绪队列(对应上图的 rdllist)。
2、索引结构
既然 epoll 将 “维护监视队列” 和“进程阻塞”分离,也意味着需要有个数据结构来保存监视的 socket。至少要方便的添加和移除,还要便于搜索,以避免重复添加。红黑树是一种自平衡二叉查找树,搜索、插入和删除时间复杂度都是 O(log(N)),效率较好。epoll 使用了红黑树作为索引结构(对应上图的 rbr)。
ps:因为操作系统要兼顾多种功能,以及由更多需要保存的数据,rdlist 并非直接引用 socket,而是通过 epitem 间接引用,红黑树的节点也是 epitem 对象。同样,文件系统也并非直接引用着 socket。为方便理解,本文中省略了一些间接结构。
epoll 在 select 和 poll(poll 和 select 基本一样,有少量改进)的基础引入了 eventpoll 作为中间层,使用了先进的数据结构,是一种高效的多路复用技术。
再留一点作业!
下表是个很常见的表,描述了 select、poll 和 epoll 的区别。读完本文,读者能否解释 select 和 epoll 的时间复杂度为什么是 O(n) 和 O(1)?
select、poll 和 epoll 的区别。图片来源《Linux 高性能服务器编程》