网络及内核

多路复用模型(zz)

2009年12月4日 阅读(22)

多路复用的方式是真正实用的服务器程序,非多路复用的网络程序只能作为学习或着陪测的角色。本文说下个人接触过的多路复用函数:select/poll /epoll/port。kqueue的*nix系统没接触过,估计熟悉了上面四种,kqueue也只是需要熟悉一下而已。
一、select模型
select原型:
int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

其中参数n表示监控的所有fd中最大值+1。
和select模型紧密结合的四个宏,含义不解释了:
FD_CLR(int fd, fd_set *set);
FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
FD_SET(int fd, fd_set *set);
FD_ZERO(fd_set *set);

理解select模型的关键在于理解fd_set,为说明方便,取fd_set长度为1字节,fd_set中的每一bit可以对应一个文件描述符fd。则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd。
(1)执行fd_set set; FD_ZERO(&set);则set用位表示是0000,0000。
(2)若fd=5,执行FD_SET(fd,&set);后set变为0001,0000(第5位置为1)
(3)若再加入fd=2,fd=1,则set变为0001,0011
(4)执行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待
(5)若fd=1,fd=2上都发生可读事件,则select返回,此时set变为0000,0011。注意:没有事件发生的fd=5被清空。

基于上面的讨论,可以轻松得出select模型的特点:
(1)可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值。我这边服务器上sizeof(fd_set)=512,每bit表示一个文件描述符,则我服务器上支持的最大文件描述符是512*8=4096。据说可调,另有说虽然可调,但调整上限受于编译内核时的变量值。本人对调整fd_set的大小不太感兴趣,参考http://www.cppblog.com/CppExplore/archive/2008/03/21/45061.html中的模型2(1)可以有效突破select可监控的文件描述符上限。
(2)将fd加入select监控集的同时,还要再使用一个数据结构array保存放到select监控集中的fd,一是用于再select返回后,array 作为源数据和fd_set进行FD_ISSET判断。二是select返回后会把以前加入的但并无事件发生的fd清空,则每次开始select前都要重新从array取得fd逐一加入(FD_ZERO最先),扫描array的同时取得fd最大值maxfd,用于select的第一个参数。
(3)可见select模型必须在select前循环array(加fd,取maxfd),select返回后循环array(FD_ISSET判断是否有时间发生)。

下面给一个伪码说明基本select模型的服务器模型:
array[slect_len];
nSock=0;
array[nSock++]=listen_fd;(之前listen port已绑定并listen)
maxfd=listen_fd;
while{
   FD_ZERO(&set);
   foreach (fd in array)
   {
       fd大于maxfd,则maxfd=fd
       FD_SET(fd,&set)
   }
   res=select(maxfd+1,&set,0,0,0);
   if(FD_ISSET(listen_fd,&set))
   {
       newfd=accept(listen_fd);
       array[nsock++]=newfd;
            if(–res<=0) continue
   }
   foreach 下标1开始 (fd in array)
   {
       if(FD_ISSET(fd,&set))
          执行读等相关操作
          如果错误或者关闭,则要删除该fd,将array中相应位置和最后一个元素互换就好,nsock减一
             if(–res<=0) continue

   }
}

二、poll模型
poll原型:
int poll(struct pollfd *ufds, unsigned int nfds, int timeout);
struct pollfd {
                       int fd;           /**//* file descriptor */
                       short events;     /**//* requested events */
                       short revents;    /**//* returned events */
               };

和select相比,两大改进:
(1)不再有fd个数的上限限制,可以将参数ufds想象成栈低指针,nfds是栈中元素个数,该栈可以无限制增长
(2)引入pollfd结构,将fd信息、需要监控的事件、返回的事件分开保存,则poll返回后不会丢失fd信息和需要监控的事件信息,也就省略了 select模型中前面的循环操作,返回后的循环仍然不可避免。另每次poll阻塞操作都会自动把上次的revents清空。
poll的服务器模型伪码:
struct pollfd fds[POLL_LEN];
unsigned int nfds=0;
fds[0].fd=server_sockfd;
fds[0].events=POLLIN|POLLPRI;
nfds++;
while{
  res=poll(fds,nfds,-1);
  if(fds[0].revents&(POLLIN|POLLPRI)){执行accept并加入fds中,if(–res<=0)continue}
  循环之后的fds,if(fds[i].revents&(POLLIN|POLLERR )){操作略if(–res<=0)continue}
}
注意select和poll中res的检测,可有效减少循环的次数,这也是大量死连接存在时,select和poll性能下降厉害的原因。

三、epoll模型

epoll阻塞操作的原型:
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout)
epoll引入了新的结构epoll_event。
typedef union epoll_data {
                 void *ptr;
                 int fd;
                 __uint32_t u32;
                 __uint64_t u64;
            } epoll_data_t;

            struct epoll_event {
                 __uint32_t events;  /**//* Epoll events */
                 epoll_data_t data;  /**//* User data variable */
            };

与以上模型的优点:
(1)它保留了poll的两个相对与select的优点
(2)epoll_wait的参数events作为出参,直接返回了有事件发生的fd,epoll_wait的返回值既是发生事件的个数,省略了poll中返回之后的循环操作。
(3)不再象select、poll一样将标识符局限于fd,epoll中可以将标识符扩大为指针,大大增加了epoll模型下的灵活性。
epoll的服务器模型伪码:
epollfd=epoll_create(EPOLL_LEN);
epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,server_sockfd,&ev)
struct epoll_event events[EPOLL_MAX_EVENT];
while
{
nfds=epoll_wait(epollfd,events,EPOLL_MAX_EVENT,-1);
循环nfds,是server_sockfd则accept,否则执行响应操作
}

epoll使用中的问题:
(1)epoll_ctl的EPOLL_CTL_DEL操作中,最后一个参数是无意义的,但是在小版本号过低的 2.6内核下要求最后一个参数一定非NULL,否则返回失败,并且返回的errno在man epoll_ctl中不存在,因此安全期间,保证epoll_ctl的最后一个参数总非NULLL。
(2)如果一个fd(比如管道)的事件导致了另一个fd2的删除,则必须扫描返回结果集中是否有fd2,有则在结果集中删除,避免冲突。
(3)有文章说epoll在G网环境下性能会低于poll/select,看有些测试,给出的拐点在2w/s并发之后,我本人的工作范围不可能达到这么高的并发,个人在测试性能的时候最大也是取的1w/s的并发,一个是因为系统单进程允许打开的文件描述符最大值,4w的数字太高了,另一个就是我这边服务器的性能达不到那么高的性能,极限1.7w/s的响应,那测试的数据竟然在2w并发的时候还有2w的响应,不知道是什么硬件配置。或许等有了G网的环境,会关注 epoll高并发下的性能下降


(4)epoll的LT和ET性能的差异,我测试的数据表明两者性能相当,“使用epoll就是为了高性能,就是要使用ET模式”这个说法是站不住脚的。个人倾向于使用LT模式,编程简单、安全。

四、port模型
port则和epoll非常接近,不需要前后的两次扫描,直接返回有事件的结果,可以象epoll一样绑定指针,不同点是
(1)epoll可以返回多个事件,而port一次只返回一个(port_getn可以返回多个,但是在不到指定的n值时,等待直到达到n个)
(2)port返回的结果会自动port_dissociate,如果要再次监控,需要重新port_associate
这个就不多说了。

可以看出select–>poll–>epoll/port的演化路线:
(1)从readset、writeset等分离到 将读写事件集中到统一的结构
(2)从阻塞操作前后的两次循环 到 之后的一次循环  到精确返回有事件发生的fd
(3)从只能绑定fd信息,到可以绑定指针结构信息

五、抽象接口
综合以上多路复用函数的特点,可以进行统一的封装,这里给出我封装的接口,也算是给一个思路:
 virtual int init()=0;
 virtual int wait()=0;
 virtual void * next_result()=0;
 virtual void delete_from_results(void * data)=0;
 virtual void * get_data(void * event)=0;
 virtual int get_event(void * event)=0;
 virtual int add_data(int fd,XPollData * data)=0;
 virtual int delete_data(int fd,XPollData *data)=0;
 virtual int change_data(int fd,XPollData *data)=0;
 virtual int reset_data(int fd,XPollData *data)=0;

使用的时候就是先init,再wait,再循环执行next_result直到空,每个result,使用get_data和get_event挨个处理,如果某个fd引起另一个fd关闭,调delete_from_results(除epoll,其它都直接return),处理完 reset_data(select和port用,poll/epoll直接return)。

来自:http://www.cppblog.com/CppExplore/archive/2008/04/30/48529.html

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