多路复用 select、poll、epoll详解

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概念

首先要说明几个概念:

  • 用户空间和内核空间
  • 进程切换
  • 进程的阻塞
  • 文件描述符
  • 缓存 I/O

用户空间与内核空间

现在操作系统都是采用虚拟存储器,那么对32位操作系统而言,它的寻址空间(虚拟存储空间)为4G(2的32次方)。操作系统的核心是内核,独立于普通的应用程序,可以访问受保护的内存空间,也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核(kernel),保证内核的安全,操心系统将虚拟空间划分为两部分,一部分为内核空间,一部分为用户空间。针对linux操作系统而言,将最高的1G字节(从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF),供内核使用,称为内核空间,而将较低的3G字节(从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF),供各个进程使用,称为用户空间。

进程切换

为了控制进程的执行,内核必须有能力挂起正在CPU上运行的进程,并恢复以前挂起的某个进程的执行。这种行为被称为进程切换。因此可以说,任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的,是与内核紧密相关的。

从一个进程的运行转到另一个进程上运行,这个过程中经过下面这些变化:

  1. 保存处理机上下文,包括程序计数器和其他寄存器。
  2. 更新PCB信息。
  3. 把进程的PCB移入相应的队列,如就绪、在某事件阻塞等队列。
  4. 选择另一个进程执行,并更新其PCB。
  5. 更新内存管理的数据结构。
  6. 恢复处理机上下文。

进程的阻塞

正在执行的进程,由于期待的某些事件未发生,如请求系统资源失败、等待某种操作的完成、新数据尚未到达或无新工作做等,则由系统自动执行阻塞原语(Block),使自己由运行状态变为阻塞状态。可见,进程的阻塞是进程自身的一种主动行为,也因此只有处于运行态的进程(获得CPU),才可能将其转为阻塞状态。当进程进入阻塞状态,是不占用CPU资源的。

文件描述符fd

文件描述符(File descriptor)是计算机科学中的一个术语,是一个用于表述指向文件的引用的抽象化概念。

文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上,它是一个索引值,指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时,内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中,一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。

缓存 I/O

缓存 I/O 又被称作标准 I/O,大多数文件系统的默认 I/O 操作都是缓存 I/O。在 Linux 的缓存 I/O 机制中,操作系统会将 I/O 的数据缓存在文件系统的页缓存( page cache )中,也就是说,数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中,然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。

缓存 I/O 的缺点:
数据在传输过程中需要在应用程序地址空间和内核进行多次数据拷贝操作,这些数据拷贝操作所带来的 CPU 以及内存开销是非常大的。

IO模式

对于一次IO访问(以read举例),数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中,然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。所以说,当一个read操作发生时,它会经历两个阶段:

  1. 等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)
  2. 将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)

正式因为这两个阶段,linux系统产生了下面五种网络模式的方案。

  • 阻塞 I/O(blocking IO)
  • 非阻塞 I/O(nonblocking IO)
  • I/O 多路复用( IO multiplexing)
  • 异步 I/O(asynchronous IO)
    注:由于signal driven IO在实际中并不常用,所以我这只提及剩下的四种IO Model。

阻塞 I/O(blocking IO)


当用户进程调用了recvfrom这个系统调用,kernel就开始了IO的第一个阶段:准备数据(对于网络IO来说,很多时候数据在一开始还没有到达。比如,还没有收到一个完整的UDP包。这个时候kernel就要等待足够的数据到来)。这个过程需要等待,也就是说数据被拷贝到操作系统内核的缓冲区中是需要一个过程的。
在用户进程这边,整个进程会被阻塞(当然,是进程自己选择的阻塞)。当kernel一直等到数据准备好了,它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存,然后kernel返回结果,用户进程才解除block的状态,重新运行起来。

所以,blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

非阻塞 I/O(nonblocking IO)


当用户进程发出read操作时,如果kernel中的数据还没有准备好,那么它并不会block用户进程,而是立刻返回一个error。从用户进程角度讲 ,它发起一个read操作后,并不需要等待,而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个error时,它就知道数据还没有准备好,于是它可以再次发送read操作。
一旦kernel中的数据准备好了,并且又再次收到了用户进程的system call,那么它马上就将数据拷贝到了用户内存,然后返回。

所以,nonblocking IO的特点是用户进程需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

I/O 多路复用( IO multiplexing)

IO multiplexing就是我们说的select,poll,epoll,有些地方也称这种IO方式为event driven IO。select/epoll的好处就在于单个process
就可以同时处理多个网络连接的IO。
它的基本原理就是select,poll,epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket,当某个socket有数据到达了,就通知用户进程。


当用户进程调用了select,那么整个进程会被block,而同时,kernel会“监视”所有select负责的socket,当任何一个socket中的数据准备好了,select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作,将数据从kernel拷贝到用户进程。

所以,I/O 多路复用的特点是通过一种机制一个进程能同时等待多个文件描述符,而这些文件描述符(套接字描述符)其中的任意一个进入读就绪状态,select()函数就可以返回。
所以,如果处理的连接数不是很高的话,使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好,可能延迟还更大。select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快,而是在于能处理更多的连接。)

异步 I/O(asynchronous IO)


用户进程发起read操作之后,立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面,从kernel的角度,当它受到一个asynchronous read之后,首先它会立刻返回,所以不会对用户进程产生任何block。然后,kernel会等待数据准备完成,然后将数据拷贝到用户内存,当这一切都完成之后,kernel会给用户进程发送一个signal,告诉它read操作完成了。

各个IO Model的比较如图所示:

I/O 多路复用之select、poll、epoll

select,poll,epoll都是IO多路复用的机制。I/O多路复用就是通过一种机制,一个进程可以监视多个描述符,一旦某个描述符就绪(一般是读就绪或者写就绪),能够通知程序进行相应的读写操作。但select,poll,epoll本质上都是同步I/O,因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写,也就是说这个读写过程是阻塞的,而异步I/O则无需自己负责进行读写,异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。

select

int select (int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

  • 缺点:
    1.句柄受限:单个进程监测的fd受限制,默认下是1024个文件描述符;
  1. 重复拷贝:需要将监听文件描述符数据结构重复的拷贝到内核;
    3.句柄轮训:轮询式检查文件描述符集合中的每个fd可读可写状态,IO效率会随着描述符集合增大而降低;
    优化:
    可以采用一个父进程专门accept,父进程均衡的分配多个子进程分别处理一部分的链接,子进程采用select模型监测自己负责的fd的可读可写。

poll

int poll (struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);
不同与select使用三个位图来表示三个fdset的方式,poll使用一个 pollfd的指针实现。

  • 缺点:有select的所有缺点,除了句柄限制;

epoll

  • epoll操作过程
int epoll_create(int size);//创建一个epoll的句柄,size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
  1. int epoll_create(int size);
    创建一个epoll的句柄,size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大,这个参数不同于select()中的第一个参数,给出最大监听的fd+1的值,参数size并不是限制了epoll所能监听的描述符最大个数,只是对内核初始分配内部数据结构的一个建议。
    当创建好epoll句柄后,它就会占用一个fd值,在linux下如果查看/proc/进程id/fd/,是能够看到这个fd的,所以在使用完epoll后,必须调用close()关闭,否则可能导致fd被耗尽。

  2. int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
    函数是对指定描述符fd执行op操作。

  • epfd:是epoll_create()的返回值。
  • op:表示op操作,用三个宏来表示:添加EPOLL_CTL_ADD,删除EPOLL_CTL_DEL,修改EPOLL_CTL_MOD。分别添加、删除和修改对fd的监听事件。
  • fd:是需要监听的fd(文件描述符)
  • epoll_event:是告诉内核需要监听什么事
  1. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
    等待epfd上的io事件,最多返回maxevents个事件。
    参数events用来从内核得到事件的集合,maxevents告之内核这个events有多大,这个maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size,参数timeout是超时时间(毫秒,0会立即返回,-1将不确定,也有说法说是永久阻塞)。该函数返回需要处理的事件数目,如返回0表示已超时。
  • 优点:
    1.支持进程打开的最大文件描述符,很好的解决了C10K问题;

2.IO效率不随FD数目增加而线性下降,epoll不是通过轮询,而是通过在等待的描述符上注册回调函数,当事件发生时,回调函数负责把发生的事件存储在就绪事件链表中,最后写到用户空间;

3.使用mmap加速内核与用户空间的消息传递

在select/poll中,进程只有在调用一定的方法后,内核才对所有监视的文件描述符进行扫描,而epoll事先通过epoll_ctl()来注册一个文件描述符,一旦基于某个文件描述符就绪时,内核会采用类似callback的回调机制,迅速激活这个文件描述符,当进程调用epoll_wait()时便得到通知。(此处去掉了遍历文件描述符,而是通过监听回调的的机制。这正是epoll的魅力所在。)

  • 工作模式
    epoll对文件描述符的操作有两种模式:LT(level trigger)和ET(edge trigger)。LT模式是默认模式,LT模式与ET模式的区别如下:
      LT模式:当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序,应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时,会再次响应应用程序并通知此事件。
      ET模式:当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序,应用程序必须立即处理该事件。如果不处理,下次调用epoll_wait时,不会再次响应应用程序并通知此事件。

ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数,因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的时候,必须使用非阻塞套接口,以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

Ref:
https://segmentfault.com/a/1190000003063859

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