菜鸟笔记
提升您的技术认知

epoll模型讲解-ag真人游戏

首先我们来定义流的概念,一个流可以是文件,socket,pipe等等可以进行i/o操作的内核对象。

    不管是文件,还是套接字,还是管道,我们都可以把他们看作流。

    之后我们来讨论i/o的操作,通过read,我们可以从流中读入数据;通过write,我们可以往流写入数据。现在假定一个情形,我们需要从流中读数据,但是流中还没有数据,(典型的例子为,客户端要从socket读如数据,但是服务器还没有把数据传回来),这时候该怎么办?

阻塞:阻塞是个什么概念呢?比如某个时候你在等快递,但是你不知道快递什么时候过来,而且你没有别的事可以干(或者说接下来的事要等快递来了才能做);那么你可以去睡觉了,因为你知道快递把货送来时一定会给你打个电话(假定一定能叫醒你)。

非阻塞忙轮询:接着上面等快递的例子,如果用忙轮询的方法,那么你需要知道快递员的手机号,然后每分钟给他挂个电话:“你到了没?”

    很明显一般人不会用第二种做法,不仅显很无脑,浪费话费不说,还占用了快递员大量的时间。     大部分程序也不会用第二种做法,因为第一种方法经济而简单,经济是指消耗很少的cpu时间,如果线程睡眠了,就掉出了系统的调度队列,暂时不会去瓜分cpu宝贵的时间片了。

    为了了解阻塞是如何进行的,我们来讨论缓冲区,以及内核缓冲区,最终把i/o事件解释清楚。缓冲区的引入是为了减少频繁i/o操作而引起频繁的系统调用(你知道它很慢的),当你操作一个流时,更多的是以缓冲区为单位进行操作,这是相对于用户空间而言。对于内核来说,也需要缓冲区。

假设有一个管道,进程a为管道的写入方,b为管道的读出方。

假设一开始内核缓冲区是空的,b作为读出方,被阻塞着。然后首先a往管道写入,这时候内核缓冲区由空的状态变到非空状态,内核就会产生一个事件告诉b该醒来了,这个事件姑且称之为“缓冲区非空”。     但是“缓冲区非空”事件通知b后,b却还没有读出数据;且内核许诺了不能把写入管道中的数据丢掉这个时候,a写入的数据会滞留在内核缓冲区中,如果内核也缓冲区满了,b仍未开始读数据,最终内核缓冲区会被填满,这个时候会产生一个i/o事件,告诉进程a,你该等等(阻塞)了,我们把这个事件定义为“缓冲区满”。

假设后来b终于开始读数据了,于是内核的缓冲区空了出来,这时候内核会告诉a,内核缓冲区有空位了,你可以从长眠中醒来了,继续写数据了,我们把这个事件叫做“缓冲区非满”     也许事件y1已经通知了a,但是a也没有数据写入了,而b继续读出数据,知道内核缓冲区空了。这个时候内核就告诉b,你需要阻塞了!,我们把这个时间定为“缓冲区空”。

这四个情形涵盖了四个i/o事件,缓冲区满,缓冲区空,缓冲区非空,缓冲区非满(注都是说的内核缓冲区,且这四个术语都是我生造的,仅为解释其原理而造)。这四个i/o事件是进行阻塞同步的根本。(如果不能理解“同步”是什么概念,请学习操作系统的锁,信号量,条件变量等任务同步方面的相关知识)。

    然后我们来说说阻塞i/o的缺点。但是阻塞i/o模式下,一个线程只能处理一个流的i/o事件。如果想要同时处理多个流,要么多进程(fork),要么多线程(pthread_create),很不幸这两种方法效率都不高。     于是再来考虑非阻塞忙轮询的i/o方式,我们发现我们可以同时处理多个流了(把一个流从阻塞模式切换到非阻塞模式再此不予讨论):

while true {
    for i in stream[]; {
        if i has data
        read until unavailable
    }
}

    我们只要不停的把所有流从头到尾问一遍,又从头开始。这样就可以处理多个流了,但这样的做法显然不好,因为如果所有的流都没有数据,那么只会白白浪费cpu。这里要补充一点,阻塞模式下,内核对于i/o事件的处理是阻塞或者唤醒,而非阻塞模式下则把i/o事件交给其他对象(后文介绍的select以及epoll)处理甚至直接忽略。     为了避免cpu空转,可以引进了一个代理(一开始有一位叫做select的代理,后来又有一位叫做poll的代理,不过两者的本质是一样的)。这个代理比较厉害,可以同时观察许多流的i/o事件,在空闲的时候,会把当前线程阻塞掉,当有一个或多个流有i/o事件时,就从阻塞态中醒来,于是我们的程序就会轮询一遍所有的流(于是我们可以把“忙”字去掉了)。代码长这样:

while true {
    select(streams[])
    for i in streams[] {
        if i has data
        read until unavailable
    }
}

    于是,如果没有i/o事件产生,我们的程序就会阻塞在select处。但是依然有个问题,我们从select那里仅仅知道了,有i/o事件发生了,但却并不知道是那几个流(可能有一个,多个,甚至全部),我们只能无差别轮询所有流,找出能读出数据,或者写入数据的流,对他们进行操作。     但是使用select,我们有o(n)的无差别轮询复杂度,同时处理的流越多,没一次无差别轮询时间就越长。再次 说了这么多,终于能好好解释epoll了     epoll可以理解为event poll,不同于忙轮询和无差别轮询,epoll之会把哪个流发生了怎样的i/o事件通知我们。此时我们对这些流的操作都是有意义的。(复杂度降低到了o(1))     在讨论epoll的实现细节之前,先把epoll的相关操作列出:

epoll_create 创建一个epoll对象,一般epollfd = epoll_create()
epoll_ctl (epoll_add/epoll_del的合体),往epoll对象中增加/删除某一个流的某一个事件
比如
epoll_ctl(epollfd, epoll_ctl_add, socket, epollin);//注册缓冲区非空事件,即有数据流入
epoll_ctl(epollfd, epoll_ctl_del, socket, epollout);//注册缓冲区非满事件,即流可以被写入
epoll_wait(epollfd,...)等待直到注册的事件发生
(注:当对一个非阻塞流的读写发生缓冲区满或缓冲区空,write/read会返回-1,并设置errno=eagain。而epoll只关心缓冲区非满和缓冲区非空事件)。

一个epoll模式的代码大概的样子是:

while true {
    active_stream[] = epoll_wait(epollfd)
    for i in active_stream[] {
        read or write till
    }
 }

    限于篇幅,我只说这么多,以揭示原理性的东西,至于epoll的使用细节,请参考man和google,实现细节,请参阅linux kernel source。

网站地图