使用Epoll在Linux上开发高性能应用服务器

概述

epoll是Linux提供一种多路复用的技术，类似各个平台都支持的select，只是epoll在内核的实现做了更多地优化，可以支持比select更多的文件描述符，当然也支持 socket这种网络的文件描述符。Linux上的大并发的接入服务器，目前的实现方式肯定都通过epoll实现。

epoll和线程

有很多开发人员用epoll的时候，会开多个线程来进行数据通信，比如一个线程专门accept(我个人早些年在FreeBSD用kqueue的时候，由于对内部机制没有基本了解也这样搞)，一个线程收发，或者接收和发送都用各自独立的线程。

通常情况下，accept独立线程是没必要的，accept对于内核而言，就应用程序从内核的未完成的SYN队列读取一点数据而已。具体参见 accept部分:

TCP三次握手过程与对应的Berkeley Socket APIs的介绍

收发独立成两个线程也没有必要，因为大部分的应用服务器，通常情况下，启动一个线程收发数据，最大数据的收发量瓶颈在于网卡，而不是CPU；像网游接入服务器配置一个KM的网卡，很少有游戏会申请1G的带宽，那一台机器得有多少数据输入和输出。所以我们通信线程为epoll服务器就够了。

epoll的基本原理

为了让某些朋友能读得更连惯，我还是说一下epoll基本原理。

epoll外部表现和select是一样的。他提供READ, WRITE和ERROR等事件。

大致流程像下面这样:

1. 应用注册感兴趣的事件到内核；

2. 内核在某种条件下，将事件通知应用程序；

3. 应用程序收到事件后，根据事件类型做对应的逻辑处理。

原理部分我再说一下，不容易理解的地方，包括水平触发和边缘触发，WRITE事件的事件利用(这个可以结合参考文献1的kqueue的WRITE事件，原理一致的)和修改事件的细节。

水平触发

READ事件，socket recv buff有数据，将一直向应用程序通知，直到buff为空。

WRITE事件，socket send buff从满的状态到可发送数据，将一直通知应用程序，直到buff满。

边缘触发

READ事件，socket recv buff有数据了，只通知应用一次，不管应用程序有没有调用read api，接下来都不通知了。

WRITE事件，socket send buff从满的状态到可以发送数据，只通知一次。

上面这个解释不知道大家能否理解，也只能这样说了。有疑问的做一下试验。另外，这些细节的东西，前几年固定下来后，这几年做的项目，是直接用的，也就很少在涉及细节，是凭理解和记忆写下的文字，万一有错请指正^-^。

WRITE事件的利用

这个还一下不好描述。大概描述一下，详细看参考文献1。大致这样:

1. 逻辑层写数据到应用层的发送buff，向epoll注册一下WRITE事件；

2. 这时epoll会通知应用程序一个WRITE事件；

3. 在WRITE事件响应函数里，从应用层的发送buff读数据，然后用socket send api发送。

因为我在很多实际项目中，看到大家没有利用epoll的WRITE的事件来发数据，特意地说一下。大部分的项目，是直接轮询应用程序的发送队列，我早期项目也是这么干的。

epoll的修改事件

对于这个我的映像比较深刻。epoll的修改事件比较坑爹，不能单独修改某个事件！怎么说呢？比如epoll里已经注册了READ&WRITE事件，你如果想单单重注册一下WRITE事件而且READ事件不变，epoll的epoll_ctl API是做不到的，你必须同时注册READ&WRITE，这个在下面的代码中可以看到。FreeBSD的kqueue在这一点完全满足我们程序员的要求。

抽象epoll API

我把herm socket epoll封装部分贴出来，让朋友们参考一下epoll的用法。大部分错误抛异常代码被我去掉了。

class Multiplexor
{
public:
Multiplexor(int size, int timeout = -1, bool lt = true);
~Multiplexor();
void Run();
void Register(ISockHandler* eh, MultiplexorMask mask);
void Remove(ISockHandler* eh);
void EnableMask(ISockHandler* eh, MultiplexorMask mask);
void DisableMask(ISockHandler* eh, MultiplexorMask mask);
private:
inline bool OperateHandler(int op, ISockHandler* eh, MultiplexorMask mask)
{
struct epoll_event evt;
evt.data.ptr = eh;
evt.events = mask;
return epoll_ctl(m_epfd, op, eh->GetHandle(), &evt) != -1;
}
private:
int m_epfd;
struct epoll_event* m_evts;
int m_size;
int m_timeout;
__uint32_t m_otherMasks;
};

Multiplexor::Multiplexor(int size, int timeout, bool lt)
{
m_epfd = epoll_create(size);
if (m_epfd == -1)
throw HERM_SOCKET_EXCEPTION(ST_OTHER);
 
m_size = size;
m_evts = new struct epoll_event[size];

m_timeout = timeout;

// sys/epoll.h is no EPOLLRDHUP(0X2000), don't add EPOLLRDHUP
m_otherMasks = EPOLLERR | EPOLLHUP;
if (!lt)
m_otherMasks |= EPOLLET;
}

Multiplexor::~Multiplexor()
{
close(m_epfd);
delete[] m_evts;
}

void Multiplexor::Run()
{
int fds = epoll_wait(m_epfd, m_evts, m_size, m_timeout);
if (fds == -1)
{
if (errno == EINTR)
return;
}
 
for (int i = 0; i < fds; ++i)
{
__uint32_t evts = m_evts[i].events;
ISockHandler* eh = reinterpret_cast<ISockHandler*>(m_evts[i].data.ptr);
int stateType = ST_SUCCESS;
if (evts & EPOLLIN)
stateType = eh->OnReceive();

if (evts & EPOLLOUT)
stateType = eh->OnSend();

if (evts & EPOLLERR || evts & EPOLLHUP)
stateType = ST_EXCEPT_FAILED;

if (stateType != ST_SUCCESS)
eh->OnError(stateType, errno);
}
}

void Multiplexor::Register(ISockHandler* eh, MultiplexorMask mask)
{
MultiplexorMask masks = mask | m_otherMasks;
OperateHandler(EPOLL_CTL_ADD, eh, masks);
}

void Multiplexor::Remove(ISockHandler* eh)
{
// Delete fd from epoll, don't need masks
OperateHandler(EPOLL_CTL_DEL, eh, ALL_EVENTS_MASK);
}

void Multiplexor::EnableMask(ISockHandler* eh, MultiplexorMask mask)
{
MultiplexorMask masks = mask | Herm::READ_MASK | Herm::WRITE_MASK;
OperateHandler(EPOLL_CTL_MOD, eh, masks | m_otherMasks);
}

void Multiplexor::DisableMask(ISockHandler* eh, MultiplexorMask mask)
{
MultiplexorMask masks = (Herm::READ_MASK | Herm::WRITE_MASK) & (~mask);
if (!OperateHandler(EPOLL_CTL_MOD, eh, masks | m_otherMasks))
throw HERM_SOCKET_EXCEPTION(ST_OTHER);
}

上面类就用到epoll_create(), epoll_ctl()和epoll_wait()，以及几种事件。epoll用起来比select清爽一些。

大致用法类似下面这样：

先定义一个Handler

class StreamHandler : public Herm::ISockHandler
{
public:
virtual Herm::Handle GetHandle() const;
virtual int OnReceive(int);
virtual int OnSend(int);
};

在OnReceive()处理收到数据的动作，在OnSend()。。。。

在通信线程中，大概类似这样的代码，实际看情况。

Multiplexor multiplexor;
StreamHandler sh;
multiplexor.Register(&sh, READ_EVT);
multiplexor.Run(...);

Linux Epoll介绍和程序实例：http://www.linuxdiyf.com/linux/7457.html

Linux效率优于select的epoll模型：http://www.linuxdiyf.com/linux/9685.html

Xen虚拟机cpu负载过高性能问题：http://www.linuxdiyf.com/linux/3830.html