Linux2.6內核中提高網絡I/O性能-epoll

以下文章轉自滕昱的Web Log http://mechgouki.spaces.msn.com/blog/PersonalSpace.aspx

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Linux2.6內核epoll介紹---我的blog 2005/3/30

[作者]：滕昱,2005/3/30,0.1版本

(1)導言：

首先，我強烈建議大家閱讀Richard Stevens著作《TCP/IP Illustracted Volume 1,2,3》和《UNIX Network Programming Volume 1,2》。雖然他離開我們大家已經5年多了，但是他的書依然是進入網絡編程的最直接的道路。其中的3卷的《TCP/IP Illustracted》卷1是必讀－如果你不了解tcp協議各個選項的詳細定義，你就失去了優化程序重要的一個手段。卷2,3可以選讀一下。比如卷2 講解的是4.4BSD內核TCP/IP協議棧實現----這個版本的協議棧幾乎影響了現在所有的主流os，但是因為年代久遠，內容不一定那么vogue. 在這里我多推薦一本《The Linux Networking Architecture--Design and Implementation of Network Protocols in the Linux Kernel》，以2.4內核講解Linux TCP/IP實現，相當不錯.作為一個現實世界中的實現，很多時候你必須作很多權衡，這時候參考一個久經考驗的系統更有實際意義。舉個例子,linux內核中sk_buff結構為了追求速度和安全，犧牲了部分內存，所以在發送TCP包的時候，無論應用層數據多大,sk_buff最小也有272的字節.

其實對于socket應用層程序來說，《UNIX Network Programming Volume 1》意義更大一點.2003年的時候，這本書出了最新的第3版本，不過主要還是修訂第2版本。其中第6章《I/O Multiplexing》是最重要的。Stevens給出了網絡IO的基本模型。在這里最重要的莫過于select模型和Asynchronous I/O模型.從理論上說，AIO似乎是最高效的，你的IO操作可以立即返回，然后等待os告訴你IO操作完成。但是一直以來，如何實現就沒有一個完美的方案。最著名的windows完成端口實現的AIO,實際上也是內部用線程池實現的罷了，最后的結果是IO有個線程池，你應用也需要一個線程池...... 很多文檔其實已經指出了這帶來的線程context-switch帶來的代價。

在linux 平臺上，關于網絡AIO一直是改動最多的地方，2.4的年代就有很多AIO內核patch,最著名的應該算是SGI那個。但是一直到2.6內核發布，網絡模塊的AIO一直沒有進入穩定內核版本(大部分都是使用用戶線程模擬方法，在使用了NPTL的linux上面其實和windows的完成端口基本上差不多了)。2.6內核所支持的AIO特指磁盤的AIO---支持io_submit(),io_getevents()以及對Direct IO的支持(就是繞過VFS系統buffer直接寫硬盤，對于流服務器在內存平穩性上有相當幫助)。

所以，剩下的select模型基本上就是我們在linux上面的唯一選擇，其實，如果加上no-block socket的配置，可以完成一個"偽"AIO的實現，只不過推動力在于你而不是os而已。不過傳統的select/poll函數有著一些無法忍受的缺點，所以改進一直是2.4-2.5開發版本內核的任務，包括/dev/poll，reltime signal等等。最終，Davide Libenzi開發的epoll進入2.6內核成為正式的解決方案

(2)epoll的優點

<1>支持一個進程打開大數目的socket描述符(FD)

select 最不能忍受的是一個進程所打開的FD是有一定限制的，由FD_SETSIZE設置，默認值是2048。對于那些需要支持的上萬連接數目的IM服務器來說顯然太少了。這時候你一是可以選擇修改這個宏然后重新編譯內核，不過資料也同時指出這樣會帶來網絡效率的下降，二是可以選擇多進程的解決方案(傳統的 Apache方案)，不過雖然linux上面創建進程的代價比較小，但仍舊是不可忽視的，加上進程間數據同步遠比不上線程間同步的高效，所以也不是一種完美的方案。不過 epoll則沒有這個限制，它所支持的FD上限是最大可以打開文件的數目，這個數字一般遠大于2048,舉個例子,在1GB內存的機器上大約是10萬左右，具體數目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般來說這個數目和系統內存關系很大。

<2>IO效率不隨FD數目增加而線性下降

傳統的select/poll另一個致命弱點就是當你擁有一個很大的socket集合，不過由于網絡延時，任一時間只有部分的socket是"活躍 "的，但是select/poll每次調用都會線性掃描全部的集合，導致效率呈現線性下降。但是epoll不存在這個問題，它只會對"活躍"的 socket進行操作---這是因為在內核實現中epoll是根據每個fd上面的callback函數實現的。那么，只有"活躍"的socket才會主動的去調用 callback函數，其他idle狀態socket則不會，在這點上，epoll實現了一個"偽"AIO，因為這時候推動力在os內核。在一些 benchmark中，如果所有的socket基本上都是活躍的---比如一個高速LAN環境，epoll并不比select/poll有什么效率，相反，如果過多使用epoll_ctl,效率相比還有稍微的下降。但是一旦使用idle connections模擬WAN環境,epoll的效率就遠在select/poll之上了。

<3>使用mmap加速內核與用戶空間的消息傳遞。

這點實際上涉及到epoll的具體實現了。無論是select,poll還是epoll都需要內核把FD消息通知給用戶空間，如何避免不必要的內存拷貝就很重要，在這點上，epoll是通過內核于用戶空間mmap同一塊內存實現的。而如果你想我一樣從2.5內核就關注epoll的話，一定不會忘記手工 mmap這一步的。

<4>內核微調

這一點其實不算epoll的優點了，而是整個linux平臺的優點。也許你可以懷疑linux平臺，但是你無法回避linux平臺賦予你微調內核的能力。比如，內核TCP/IP協議棧使用內存池管理sk_buff結構，那么可以在運行時期動態調整這個內存pool(skb_head_pool)的大小--- 通過echo XXXX>/proc/sys/net/core/hot_list_length完成。再比如listen函數的第2個參數(TCP完成3次握手的數據包隊列長度)，也可以根據你平臺內存大小動態調整。更甚至在一個數據包面數目巨大但同時每個數據包本身大小卻很小的特殊系統上嘗試最新的NAPI網卡驅動架構。

(3)epoll的使用

令人高興的是，2.6內核的epoll比其2.5開發版本的/dev/epoll簡潔了許多，所以，大部分情況下，強大的東西往往是簡單的。唯一有點麻煩是epoll有2種工作方式:LT和ET。

LT(level triggered)是缺省的工作方式，并且同時支持block和no-block socket.在這種做法中，內核告訴你一個文件描述符是否就緒了，然后你可以對這個就緒的fd進行IO操作。如果你不作任何操作，內核還是會繼續通知你的，所以，這種模式編程出錯誤可能性要小一點。傳統的select/poll都是這種模型的代表．

ET (edge-triggered)是高速工作方式，只支持no-block socket。在這種模式下，當描述符從未就緒變為就緒時，內核通過epoll告訴你。然后它會假設你知道文件描述符已經就緒，并且不會再為那個文件描述符發送更多的就緒通知，直到你做了某些操作導致那個文件描述符不再為就緒狀態了(比如，你在發送，接收或者接收請求，或者發送接收的數據少于一定量時導致了一個EWOULDBLOCK 錯誤）。但是請注意，如果一直不對這個fd作IO操作(從而導致它再次變成未就緒)，內核不會發送更多的通知(only once),不過在TCP協議中，ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark確認。

epoll只有epoll_create,epoll_ctl,epoll_wait 3個系統調用，具體用法請參考http://www.xmailserver.org/linux-patches/nio-improve.html ，
在http://www.kegel.com/rn/也有一個完整的例子，大家一看就知道如何使用了

(4)Leader/follower模式線程pool實現，以及和epoll的配合

.....未完成，主要是要避免過多的epoll_ctl調用,以及嘗試使用EPOLLONESHOT加速......

(5)benchmark

.......未完成
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3、epoll的使用方法
這是epoll的man手冊提供的一個例子，這段代碼假設一個非阻塞的socket監聽listener被建立并且一個epoll句柄kdpfd已經提前用epoll_create建立了：

?????? struct epoll_event ev, *events;

?????? for(;;) {
?????????? nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1);/*wait for an I/O event. All notes here added by zhoulifa(http://zhoulifa.bokee.com) on 2006-7-6 22:10:00*/

?????????? for(n = 0; n < nfds; ++n) {
?????????????? if(events[n].data.fd == listener) {/*if listen socket has an I/O, accept the new connect*/
?????????????????? client = accept(listener, (struct sockaddr *) &local,
?????????????????????????????????? &addrlen);
?????????????????? if(client < 0){
?????????????????????? perror("accept");
?????????????????????? continue;
?????????????????? }
?????????????????? setnonblocking(client);
?????????????????? ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;/*EPOLLIN-available for read*/
?????????????????? ev.data.fd = client;
?????????????????? if (epoll_ctl(kdpfd, EPOLL_CTL_ADD, client, &ev) < 0) {/*add the new socket into the epoll file descriptors*/
?????????????????????? fprintf(stderr, "epoll set insertion error: fd=%d\n",
?????????????????????????????? client);
?????????????????????? return -1;
?????????????????? }
?????????????? }
?????????????? else
?????????????????? do_use_fd(events[n].data.fd);/*read from a socket which has data come*/
?????????? }
?????? }

4、epoll使用方法示意代碼
以下代碼由chinaunix.net上BBS用戶safedead(http://bbs.chinaunix.net/viewpro.php?uid=407631)提供：

static int??????? s_epfd;//epoll描述字

{//初始化epoll
???&nsp;??? struct epoll_event??????? ev;

??????? //設置epoll
??????? s_epfd = epoll_create(65535);

??????? {//這個過程可以循環以便加入多個LISTEN套接字進入epoll事件集合
??????????????? //服務器監聽創建
??????????????? rc = listen();//listen參數這里省略

??????????????? //加入epoll事件集合
??????????????? ev.events = EPOLLIN;
??????????????? ev.data.fd = rc;
??????????????? if (epoll_ctl(s_epfd, EPOLL_CTL_ADD, rc, &ev) < 0) {
??????????????????????? fprintf(stderr, "epoll set insertion error: fd=%d", rc);
??????????????????????? return(-1);
??????????????? }
??????? }
}

{//epoll事件處理
??????? int??????? i, nfds, sock_new;
??????? struct epoll_event??????? events[16384];
??????? for( ; ; ) {
??????????????? //等待epoll事件
??????????????? nfds = epoll_wait(s_epfd, events, 16384, -1);
??????????????? //處理epoll事件
??????????????? for(i = 0; i < nfds; i++) {
??????????????????????? //events[i].data.fd是epoll事件中彈出的套接字
??????????????????????? //接收連接
??????????????????????? sock_new = accept(events[i].data.fd);//accept其它參數這里省略了
??????????????????????? if(0 > sock_new) {
??????????????????????????????? fprintf(stderr, "接收客戶端連接失敗\n");
??????????????????????????????? continue;
??????????????????????? }
??????????????? }
??????? }
}