io多路复用的几种实现机制的分析-凯发app官方网站

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分类: linux

2015-12-26 22:48:54

原文路径:http://blog.csdn.net/zhang_shuai_2011/article/details/7675797


elect,poll,epoll都是io多路复用的机制。所谓i/o多路复用机制,就是说通过一种机制,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。关于阻塞,非阻塞,同步,异步将在下一篇文章详细说明。
 

select和poll的实现比较相似,目前也有很多为人诟病的缺点,epoll可以说是select和poll的增强版。

一、select实现

1、使用copy_from_user从用户空间拷贝fd_set到内核空间

2、注册回调函数__pollwait

3、遍历所有fd,调用其对应的poll方法(对于socket,这个poll方法是sock_poll,sock_poll根据情况会调用到tcp_poll,udp_poll或者datagram_poll)

4、以tcp_poll为例,其核心实现就是__pollwait,也就是上面注册的回调函数。

5、__pollwait的主要工作就是把current(当前进程)挂到设备的等待队列中,不同的设备有不同的等待队列,对于tcp_poll来说,其等待队列是sk->sk_sleep(注意把进程挂到等待队列中并不代表进程已经睡眠了)。在设备收到一条消息(网络设备)或填写完文件数据(磁盘设备)后,会唤醒设备等待队列上睡眠的进程,这时current便被唤醒了。

6、poll方法返回时会返回一个描述读写操作是否就绪的mask掩码,根据这个mask掩码给fd_set赋值。

7、如果遍历完所有的fd,还没有返回一个可读写的mask掩码,则会调用schedule_timeout是调用select的进程(也就是current)进入睡眠。当设备驱动发生自身资源可读写后,会唤醒其等待队列上睡眠的进程。如果超过一定的超时时间(schedule_timeout指定),还是没人唤醒,则调用select的进程会重新被唤醒获得cpu,进而重新遍历fd,判断有没有就绪的fd。

8、把fd_set从内核空间拷贝到用户空间。

总结:

select的几大缺点:

(1)每次调用select,都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态,这个开销在fd很多时会很大

(2)同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd,这个开销在fd很多时也很大

(3)select支持的文件描述符数量太小了,默认是1024

二、poll实现

poll的实现和select非常相似,只是描述fd集合的方式不同,poll使用pollfd结构而不是select的fd_set结构。其他的都差不多。


三、epoll实现

epoll既然是对select和poll的改进,就应该能避免上述的三个缺点。那epoll都是怎么解决的呢?在此之前,我们先看一下epoll和select和poll的调用接口上的不同,select和poll都只提供了一个函数——select或者poll函数。而epoll提供了三个函数,epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait,epoll_create是创建一个epoll句柄;epoll_ctl是注册要监听的事件类型;epoll_wait则是等待事件的产生。

 

对于第一个缺点,epoll的凯发app官方网站的解决方案在epoll_ctl函数中。每次注册新的事件到epoll句柄中时(在epoll_ctl中指定epoll_ctl_add),会把所有的fd拷贝进内核,而不是在epoll_wait的时候重复拷贝。epoll保证了每个fd在整个过程中只会拷贝一次。

对于第二个缺点,epoll的凯发app官方网站的解决方案不像select或poll一样每次都把current轮流加入fd对应的设备等待队列中,而只在epoll_ctl时把current挂一遍(这一遍必不可少)并为每个fd指定一个回调函数,当设备就绪,唤醒等待队列上的等待者时,就会调用这个回调函数,而这个回调函数会把就绪的fd加入一个就绪链表)。epoll_wait的工作实际上就是在这个就绪链表中查看有没有就绪的fd(利用schedule_timeout()实现睡一会,判断一会的效果,和select实现中的第7步是类似的)。

说明一下这个回调机制的原理,其实很简单,看一下select和epoll在把current加入fd对应的设备等待队列时使用的代码:

select:

  1. static void __pollwait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address,  
  2.                 poll_table *p)  
  3. {  
  4.     struct poll_table_entry *entry = poll_get_entry(p);  
  5.     if (!entry)  
  6.         return;  
  7.     get_file(filp);  
  8.     entry->filp = filp;  
  9.     entry->wait_address = wait_address;  
  10.     init_waitqueue_entry(&entry->wait, current);  
  11.     add_wait_queue(wait_address, &entry->wait);  
  12. }  

其中init_waitqueue_entry实现如下:

  1. static inline void init_waitqueue_entry(wait_queue_t *q, struct task_struct *p)  
  2. {  
  3.     q->flags = 0;  
  4.     q->private = p;  
  5.     q->func = default_wake_function;  
  6. }  

上面的代码是说建立一个poll_table_entry结构entry,首先把current设置为entry->wait的private成员,同时把default_wake_function设为entry->wait的func成员,然后把entry->wait链入到wait_address中(这个wait_address就是设备的等待队列,在tcp_poll中就是sk_sleep)。

再看一下epoll:

  1. /* 
  2.  * this is the callback that is used to add our wait queue to the 
  3.  * target file wakeup lists. 
  4.  */  
  5. static void ep_ptable_queue_proc(struct file *file, wait_queue_head_t *whead,  
  6.                  poll_table *pt)  
  7. {  
  8.     struct epitem *epi = ep_item_from_epqueue(pt);  
  9.     struct eppoll_entry *pwq;  
  10.   
  11.     if (epi->nwait >= 0 && (pwq = kmem_cache_alloc(pwq_cache, gfp_kernel))) {  
  12.         init_waitqueue_func_entry(&pwq->wait, ep_poll_callback);  
  13.         pwq->whead = whead;  
  14.         pwq->base = epi;  
  15.         add_wait_queue(whead, &pwq->wait);  
  16.         list_add_tail(&pwq->llink, &epi->pwqlist);  
  17.         epi->nwait ;  
  18.     } else {  
  19.         /* we have to signal that an error occurred */  
  20.         epi->nwait = -1;  
  21.     }  
  22. }  

其中init_waitqueue_func_entry的实现如下:

  1. static inline void init_waitqueue_func_entry(wait_queue_t *q,  
  2.                     wait_queue_func_t func)  
  3. {  
  4.     q->flags = 0;  
  5.     q->private = null;  
  6.     q->func = func;  
  7. }  

可以看到,总体和select的实现是类似的,只不过它是创建了一个eppoll_entry结构pwq,只不过pwq->wait的func成员被设置成了回调函数ep_poll_callback(而不是default_wake_function,所以这里并不会有唤醒操作,而只是执行回调函数),private成员被设置成了null。最后吧pwq->wait链入到whead中(也就是设备等待队列中)。这样,当设备等待队列中的进程被唤醒时,就会调用ep_poll_callback了。

 

再梳理一下,当epoll_wait时,它会判断就绪链表中有没有就绪的fd,如果没有,则把current进程加入一个等待队列(file->private_data->wq)中,并在一个while(1)循环中判断就绪队列是否为空,并结合schedule_timeout实现睡一会,判断一会的效果。如果current进程在睡眠中,设备就绪了,就会调用回调函数。在回调函数中,会把就绪的fd放入就绪链表,并唤醒等待队列(file->private_data->wq)中的current进程,这样epoll_wait又能继续执行下去了。

对于第三个缺点,epoll没有这个限制,它所支持的fd上限是最大可以打开文件的数目,这个数字一般远大于2048,举个例子,在1gb内存的机器上大约是10万左右,具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般来说这个数目和系统内存关系很大。

总结:

1、select,poll实现需要自己不断轮询所有fd集合,直到设备就绪,期间可能要睡眠和唤醒多次交替。而epoll其实也需要调用epoll_wait不断轮询就绪链表,期间也可能多次睡眠和唤醒交替,但是它是设备就绪时,调用回调函数,把就绪fd放入就绪链表中,并唤醒在epoll_wait中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替,但是select和poll在“醒着”的时候要遍历整个fd集合,而epoll在“醒着”的时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了,这节省了大量的cpu时间。这就是回调机制带来的性能提升。

2、select,poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次,并且要把current往设备等待队列中挂一次,而epoll只要一次拷贝,而且把current往等待队列上挂也只挂一次(在epoll_wait的开始,注意这里的等待队列并不是设备等待队列,只是一个epoll内部定义的等待队列)。这也能节省不少的开销。

3、不过,epoll机制却存在fd泄露的问题。解决这个问题的一个方法是,每个fd设置一个超时时间,如果超时时间内一直没有活跃过,那么把这个fd关闭。

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