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epoll原理简介

时间:2019-06-14 10:54:12  来源:  作者:

epoll是linux引以为荣的技术,因为相对于select和poll有很大的性能改进。本文主要介绍epoll的实现原理,了解epoll高效背后的魔法。

epoll的使用简介

1. epoll_create

使用epoll时需要使用epoll_create()创建一个epoll的文件句柄,epoll_create()函数的原型如下:

	intepoll_create(int size);

此接口用于创建一个epoll的句柄,size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。

 

2. epoll_ctl

使用epoll_ctl()可以向epoll句柄添加或者删除要监听的文件句柄。epoll_ctl()函数原型如下:

	intepoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

要监听文件是否可读写时先要向epoll句柄注册要监听的事件类型。第一个参数是epoll_create()返回的epoll句柄,第二个参数表示动作,用三个宏来表示:

  • EPOLL_CTL_ADD:注册新的fd到epfd中。
  • EPOLL_CTL_MOD:修改已经注册的fd的监听事件。
  • EPOLL_CTL_DEL:从epfd中删除一个fd。

第三个参数是需要监听的文件句柄,第四个参数是告诉内核需要监听什么事。

 

3. epoll_wait

万事俱备,现在只需要调用epoll_wait()函数就可以开始等待事件发生了。epoll_wailt()函数的原型如下:

	intepoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

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。

epoll实现原理

前面介绍了epoll的使用,接下来主要介绍epoll在内核的实现原理。

当我们在用户态调用epoll_create()时,会触发调用内核的sys_epoll_create()。我们先来看看sys_epoll_create()这个函数:

SYSCALL_DEFINE1(epoll_create1, int, flags)
{
 int error, fd;
 structeventpoll *ep = NULL;
 structfile *file;
 ...
 error = ep_alloc(&ep);
 ...
 fd = get_unused_fd_flags(O_RDWR| (flags & O_CLOEXEC));
 ...
 file = anon_inode_getfile("[eventpoll]", &eventpoll_fops, ep,
 O_RDWR | (flags &O_CLOEXEC));
 ...
 fd_install(fd,file);
	ep->file = file;
	 
 return fd;
}

这个函数主要调用ep_alloc()申请一个eventpoll结构,eventpoll结构是epoll的核心数据结构,我们来看看这个结构的定义:

structeventpoll {
 spinlock_t lock;
 structmutexmtx;
 wait_queue_head_t wq;
 wait_queue_head_t poll_wait;
 structlist_headrdllist;
 structrb_rootrbr;
 structepitem *ovflist;
 structuser_struct *user;
 structfile *file;
 intvisited;
 structlist_headvisited_list_link;
};

eventpoll结构有三个字段是比较重要的,分别是:wqrdllistrbr

  • wq用于保存有哪些进程在等待这个epoll返回。
  • rdllist用于保存可读写的文件。
  • rbr用于建立一个快速查找文件句柄的红黑树。

创建完eventpoll结构后,sys_epoll_create()会调用get_unused_fd_flags()获取一个空闲的文件句柄fd,接着调anon_inode_getfile()获取一个空闲的file结构,并且把eventpoll结构与file结构绑定。最后调用fd_install()把文件句柄fd与file结构绑定,返回文件句柄fd。通过一系列的操作后,内核就可以通过文件句柄fd与eventpoll结构进行关联。

根据epoll的使用流程,使用epoll_create()创建epoll句柄后,可以通过epoll_ctl()函数向epoll句柄添加和删除要监视的文件句柄。调用epoll_ctl()会触发内核调用sys_epoll_ctl()函数,我们来看看sys_epoll_ctl()函数的最重要部分:

SYSCALL_DEFINE4(epoll_ctl,int, epfd, int, op, int, fd,
 struct epoll_event __user *,event)
{
 ...
 switch (op) {
 case EPOLL_CTL_ADD:
 if (!epi) {
 epds.events |= POLLERR | POLLHUP;
 error = ep_insert(ep, &epds,tfile, fd);
 } else
 error = -EEXIST;
 clear_tfile_check_list();
 break;
 case EPOLL_CTL_DEL:
 if (epi)
 error = ep_remove(ep, epi);
 else
 error = -ENOENT;
 break;
 case EPOLL_CTL_MOD:
 if (epi) {
 epds.events |= POLLERR | POLLHUP;
 error = ep_modify(ep, epi,&epds);
 } else
 error = -ENOENT;
 break;
 }
 ...
 return error;
}

sys_epoll_ctl()会根据我们传递的op参数来进行不同的操作,我们主要看看op为EPOLL_CTL_ADD的操作,也就是添加操作。当进行添加操作时,sys_epoll_ctl()最终会调用ep_insert()把文件句柄fd添加到eventpoll结构维护的红黑树中,ep_insert()代码如下:

static int ep_insert(struct eventpoll *ep, struct epoll_event*event,
 struct file *tfile, int fd)
{
 int error, revents, pwake =0;
 unsignedlong flags;
 structepitem *epi;
 structep_pqueue epq;
 ...
 if (!(epi =kmem_cache_alloc(epi_cache, GFP_KERNEL)))
 return -ENOMEM;
 ...
 init_poll_funcptr(&epq.pt,ep_ptable_queue_proc);
 revents = tfile->f_op->poll(tfile,&epq.pt);
 ...
 ep_rbtree_insert(ep, epi);
 ...
 return 0;
}

ep_insert()函数首先创建一个epitem结构用于管理事件,然后调用文件句柄的poll()接口,根据init_poll_funcptr(&epq.pt,ep_ptable_queue_proc)这行代码的设置,poll()接口最终会调用ep_ptable_queue_proc()函数。ep_ptable_queue_proc()函数代码如下:

static void ep_ptable_queue_proc(struct file *file,wait_queue_head_t *whead, poll_table*pt)
{
 structepitem *epi = ep_item_from_epqueue(pt);
 structeppoll_entry *pwq;
 
 if (epi->nwait >= 0
	&& (pwq = kmem_cache_alloc(pwq_cache, GFP_KERNEL)))
	{
 init_waitqueue_func_entry(&pwq->wait, ep_poll_callback);
 pwq->whead = whead;
 pwq->base = epi;
 add_wait_queue(whead, &pwq->wait);
 list_add_tail(&pwq->llink, &epi->pwqlist);
 epi->nwait++;
 } else {
 epi->nwait = -1;
 }
}

ep_ptable_queue_proc()函数的作用就是把epitem结构添加到文件的等待队列中,根据上面的代码可知,当等待队列被唤醒的时候,将会调用ep_poll_callback()函数。而ep_poll_callback()函数的作用就是把epitem结构放置到eventpoll结构的rdllist队列中。我们前面分析过,rdllist就是就绪的文件队列。ep_poll_callback()函数最终会调用wake_up_locked(&ep->wq)唤醒进程。简化后的代码如下:

static int ep_poll_callback(wait_queue_t *wait,
	unsigned mode, int sync, void *key)
{
 ...
 // 把epitem添加到rdllist队列中
 if(!ep_is_linked(&epi->rdllink))
 list_add_tail(&epi->rdllink,&ep->rdllist);
 
 // 唤醒进程
 if (waitqueue_active(&ep->wq))
 wake_up_locked(&ep->wq);
 ...
 return 1;
}

ep_insert()函数最后一个操作就是调用ep_rbtree_insert()把epitem结构添加的eventpoll结构的红黑树中。如下图:

epoll原理简介

 

 

使用红黑树管理epitem结构的目的是可以根据文件句柄fd快速查找到对应的epitem结构。红黑树是一棵平衡二叉树,时间复杂度为O(logN)。

添加文件句柄到epoll之后,就可以调用epoll_wait()函数开始监听文件。epoll_wait()会调用内核的sys_epoll_wait()函数,而sys_epoll_wait()最终会调用ep_poll()函数,代码如下:

static int ep_poll(struct eventpoll *ep, struct epoll_event __user*events,
 int maxevents, long timeout)
{
 ...
 if (list_empty(&ep->rdllist)) {
 init_waitqueue_entry(&wait,current);
 wait.flags |= WQ_FLAG_EXCLUSIVE;
 __add_wait_queue(&ep->wq,&wait);
 
 for (;;) {
 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
 if (!list_empty(&ep->rdllist)|| !jtimeout)
 break;
 if (signal_pending(current)) {
 res = -EINTR;
 break;
 }
 
 spin_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags);
 jtimeout = schedule_timeout(jtimeout);
 spin_lock_irqsave(&ep->lock,flags);
 }
 __remove_wait_queue(&ep->wq,&wait);
 
 set_current_state(TASK_RUNNING);
 }
 ...
 if (!res && eavail &&
 !(res = ep_send_events(ep, events, maxevents))&& jtimeout)
 goto retry;
 
 return res;
}

ep_poll()函数所做的事情很简单,就是把当前进程设置为可中断睡眠状态,然后添加eventpoll结构的等待队列中,最后调用schedule_timeout()让出CPU。这样当前进程就会进入睡眠状态,当进程醒来的时候会判断eventpoll结构的rdllist队列是否为空,然后不为空就调用ep_send_events()函数把可读写的文件拷贝到用户态的events数组中。

那么什么时候当前进程会被唤醒呢?在分析ep_insert()函数的时候,我们提及过当文件状态发生改变时会调用ep_poll_callback()函数,而ep_poll_callback()函数会把就绪的文件添加到rdllist队列,并且就会把当前进程唤醒。

 

总结

本文主要分析了epoll的实现原理,可以知道,epoll并不会对所有文件进行扫描(而select和poll会对所以文件进行扫描),而是使用事件的方式把就绪的文件收集起来,所以epoll的效率非常高。

当然本文还有一些epoll的细节并没有介绍到,例如水平触发和边缘触发等,有兴趣可以自己研究代码。
 



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