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[操作系统]实例浅析epoll的水平触发和边缘触发,以及边缘触发为什么要使用非阻塞IO


一.基本概念                                                         

我们通俗一点讲:

Level_triggered(水平触发):当被监控的文件描述符上有可读写事件发生时,epoll_wait()会通知处理程序去读写。如果这次没有把数据一次性全部读写完(如读写缓冲区太小),那么下次调用 epoll_wait()时,它还会通知你在上没读写完的文件描述符上继续读写,当然如果你一直不去读写,它会一直通知你!!!如果系统中有大量你不需要读写的就绪文件描述符,而它们每次都会返回,这样会大大降低处理程序检索自己关心的就绪文件描述符的效率!!!

Edge_triggered(边缘触发):当被监控的文件描述符上有可读写事件发生时,epoll_wait()会通知处理程序去读写。如果这次没有把数据全部读写完(如读写缓冲区太小),那么下次调用epoll_wait()时,它不会通知你,也就是它只会通知你一次,直到该文件描述符上出现第二次可读写事件才会通知你!!!这种模式比水平触发效率高,系统不会充斥大量你不关心的就绪文件描述符!!!

阻塞IO:当你去读一个阻塞的文件描述符时,如果在该文件描述符上没有数据可读,那么它会一直阻塞(通俗一点就是一直卡在调用函数那里),直到有数据可读。当你去写一个阻塞的文件描述符时,如果在该文件描述符上没有空间(通常是缓冲区)可写,那么它会一直阻塞,直到有空间可写。以上的读和写我们统一指在某个文件描述符进行的操作,不单单指真正的读数据,写数据,还包括接收连接accept(),发起连接connect()等操作...

非阻塞IO:当你去读写一个非阻塞的文件描述符时,不管可不可以读写,它都会立即返回,返回成功说明读写操作完成了,返回失败会设置相应errno状态码,根据这个errno可以进一步执行其他处理。它不会像阻塞IO那样,卡在那里不动!!!

二.几种IO模型的触发方式                          

 select(),poll()模型都是水平触发模式,信号驱动IO是边缘触发模式,epoll()模型即支持水平触发,也支持边缘触发,默认是水平触发。

这里我们要探讨epoll()的水平触发和边缘触发,以及阻塞IO和非阻塞IO对它们的影响!!!下面称水平触发为LT,边缘触发为ET。

对于监听的socket文件描述符我们用sockfd代替,对于accept()返回的文件描述符(即要读写的文件描述符)用connfd代替。

我们来验证以下几个内容:

1.水平触发的非阻塞sockfd

2.边缘触发的非阻塞sockfd

3.水平触发的阻塞connfd

4.水平触发的非阻塞connfd

5.边缘触发的阻塞connfd

6.边缘触发的非阻塞connfd

以上没有验证阻塞的sockfd,因为epoll_wait()返回必定是已就绪的连接,设不设置阻塞accept()都会立即返回。例外:UNP里面有个例子,在BSD上,使用select()模型。设置阻塞的监听sockfd时,当客户端发起连接请求,由于服务器繁忙没有来得及accept(),此时客户端自己又断开,当服务器到达accept()时,会出现阻塞。本机测试epoll()模型没有出现这种情况,我们就暂且忽略这种情况!!!

三.验证代码                                                         

文件名:epoll_lt_et.c

 1 /*  2  *url:http://www.cnblogs.com/yuuyuu/p/5103744.html 3  * 4 */ 5  6 #include <stdio.h> 7 #include <stdlib.h> 8 #include <string.h> 9 #include <errno.h> 10 #include <unistd.h> 11 #include <fcntl.h> 12 #include <arpa/inet.h> 13 #include <netinet/in.h> 14 #include <sys/socket.h> 15 #include <sys/epoll.h> 16  17 /* 最大缓存区大小 */ 18 #define MAX_BUFFER_SIZE 5 19 /* epoll最大监听数 */ 20 #define MAX_EPOLL_EVENTS 20 21 /* LT模式 */ 22 #define EPOLL_LT 0 23 /* ET模式 */ 24 #define EPOLL_ET 1 25 /* 文件描述符设置阻塞 */ 26 #define FD_BLOCK 0 27 /* 文件描述符设置非阻塞 */ 28 #define FD_NONBLOCK 1 29  30 /* 设置文件为非阻塞 */ 31 int set_nonblock(int fd) 32 { 33   int old_flags = fcntl(fd, F_GETFL); 34   fcntl(fd, F_SETFL, old_flags | O_NONBLOCK); 35   return old_flags; 36 } 37  38 /* 注册文件描述符到epoll,并设置其事件为EPOLLIN(可读事件) */ 39 void addfd_to_epoll(int epoll_fd, int fd, int epoll_type, int block_type) 40 { 41   struct epoll_event ep_event; 42   ep_event.data.fd = fd; 43   ep_event.events = EPOLLIN; 44  45   /* 如果是ET模式,设置EPOLLET */ 46   if (epoll_type == EPOLL_ET) 47     ep_event.events |= EPOLLET; 48  49   /* 设置是否阻塞 */ 50   if (block_type == FD_NONBLOCK) 51     set_nonblock(fd); 52  53   epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ep_event); 54 } 55  56 /* LT处理流程 */ 57 void epoll_lt(int sockfd) 58 { 59   char buffer[MAX_BUFFER_SIZE]; 60   int ret; 61  62   memset(buffer, 0, MAX_BUFFER_SIZE); 63   printf("开始recv()...\n"); 64   ret = recv(sockfd, buffer, MAX_BUFFER_SIZE, 0); 65   printf("ret = %d\n", ret); 66   if (ret > 0) 67     printf("收到消息:%s, 共%d个字节\n", buffer, ret); 68   else 69   { 70     if (ret == 0) 71       printf("客户端主动关闭!!!\n"); 72     close(sockfd); 73   } 74  75   printf("LT处理结束!!!\n"); 76 } 77  78 /* 带循环的ET处理流程 */ 79 void epoll_et_loop(int sockfd) 80 { 81   char buffer[MAX_BUFFER_SIZE]; 82   int ret; 83  84   printf("带循环的ET读取数据开始...\n"); 85   while (1) 86   { 87     memset(buffer, 0, MAX_BUFFER_SIZE); 88     ret = recv(sockfd, buffer, MAX_BUFFER_SIZE, 0); 89     if (ret == -1) 90     { 91       if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) 92       { 93         printf("循环读完所有数据!!!\n"); 94         break; 95       } 96       close(sockfd); 97       break; 98     } 99     else if (ret == 0)100     {101       printf("客户端主动关闭请求!!!\n");102       close(sockfd);103       break;104     }105     else106       printf("收到消息:%s, 共%d个字节\n", buffer, ret);107   }108   printf("带循环的ET处理结束!!!\n");109 }110 111 112 /* 不带循环的ET处理流程,比epoll_et_loop少了一个while循环 */113 void epoll_et_nonloop(int sockfd)114 {115   char buffer[MAX_BUFFER_SIZE];116   int ret;117 118   printf("不带循环的ET模式开始读取数据...\n");119   memset(buffer, 0, MAX_BUFFER_SIZE);120   ret = recv(sockfd, buffer, MAX_BUFFER_SIZE, 0);121   if (ret > 0)122   {123     printf("收到消息:%s, 共%d个字节\n", buffer, ret);124   }125   else126   {127     if (ret == 0)128       printf("客户端主动关闭连接!!!\n");129     close(sockfd);130   }131 132   printf("不带循环的ET模式处理结束!!!\n");133 }134 135 /* 处理epoll的返回结果 */136 void epoll_process(int epollfd, struct epoll_event *events, int number, int sockfd, int epoll_type, int block_type)137 {138   struct sockaddr_in client_addr;139   socklen_t client_addrlen;140   int newfd, connfd;141   int i;142 143   for (i = 0; i < number; i++)144   {145     newfd = events[i].data.fd;146     if (newfd == sockfd)147     {148       printf("=================================新一轮accept()===================================\n");149       printf("accept()开始...\n");150 151       /* 休眠3秒,模拟一个繁忙的服务器,不能立即处理accept连接 */152       printf("开始休眠3秒...\n");153       sleep(3);154       printf("休眠3秒结束!!!\n");155 156       client_addrlen = sizeof(client_addr);157       connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addrlen);158       printf("connfd = %d\n", connfd);159 160       /* 注册已链接的socket到epoll,并设置是LT还是ET,是阻塞还是非阻塞 */161       addfd_to_epoll(epollfd, connfd, epoll_type, block_type);162       printf("accept()结束!!!\n");163     }164     else if (events[i].events & EPOLLIN)165     {166       /* 可读事件处理流程 */167 168       if (epoll_type == EPOLL_LT)  169       {170         printf("============================>水平触发开始...\n");171         epoll_lt(newfd);172       }173       else if (epoll_type == EPOLL_ET)174       {175         printf("============================>边缘触发开始...\n");176 177         /* 带循环的ET模式 */178         epoll_et_loop(newfd);179 180         /* 不带循环的ET模式 */181         //epoll_et_nonloop(newfd);182       }183     }184     else185       printf("其他事件发生...\n");186   }187 }188 189 /* 出错处理 */190 void err_exit(char *msg)191 {192   perror(msg);193   exit(1);194 }195 196 /* 创建socket */197 int create_socket(const char *ip, const int port_number)198 {199   struct sockaddr_in server_addr;200   int sockfd, reuse = 1;201 202   memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));203   server_addr.sin_family = AF_INET;204   server_addr.sin_port = htons(port_number);205 206   if (inet_pton(PF_INET, ip, &server_addr.sin_addr) == -1)207     err_exit("inet_pton() error");208 209   if ((sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)210     err_exit("socket() error");211 212   /* 设置复用socket地址 */213   if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) == -1)214     err_exit("setsockopt() error");215 216   if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1)217     err_exit("bind() error");218 219   if (listen(sockfd, 5) == -1)220     err_exit("listen() error");221 222   return sockfd;223 }224 225 /* main函数 */226 int main(int argc, const char *argv[])227 {228   if (argc < 3)229   {230     fprintf(stderr, "usage:%s ip_address port_number\n", argv[0]);231     exit(1);232   }233 234   int sockfd, epollfd, number;235 236   sockfd = create_socket(argv[1], atoi(argv[2]));237   struct epoll_event events[MAX_EPOLL_EVENTS];238 239   /* linux内核2.6.27版的新函数,和epoll_create(int size)一样的功能,并去掉了无用的size参数 */240   if ((epollfd = epoll_create1(0)) == -1)241     err_exit("epoll_create1() error");242 243   /* 以下设置是针对监听的sockfd,当epoll_wait返回时,必定有事件发生,244    * 所以这里我们忽略罕见的情况外设置阻塞IO没意义,我们设置为非阻塞IO */245 246   /* sockfd:非阻塞的LT模式 */247   addfd_to_epoll(epollfd, sockfd, EPOLL_LT, FD_NONBLOCK);248 249   /* sockfd:非阻塞的ET模式 */250   //addfd_to_epoll(epollfd, sockfd, EPOLL_ET, FD_NONBLOCK);251 252  253   while (1)254   {255     number = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EPOLL_EVENTS, -1);256     if (number == -1)257       err_exit("epoll_wait() error");258     else259     {260       /* 以下的LT,ET,以及是否阻塞都是是针对accept()函数返回的文件描述符,即函数里面的connfd */261 262       /* connfd:阻塞的LT模式 */263       epoll_process(epollfd, events, number, sockfd, EPOLL_LT, FD_BLOCK);264 265       /* connfd:非阻塞的LT模式 */266       //epoll_process(epollfd, events, number, sockfd, EPOLL_LT, FD_NONBLOCK);267 268       /* connfd:阻塞的ET模式 */269       //epoll_process(epollfd, events, number, sockfd, EPOLL_ET, FD_BLOCK);270 271       /* connfd:非阻塞的ET模式 */272       //epoll_process(epollfd, events, number, sockfd, EPOLL_ET, FD_NONBLOCK);273     }274   }275 276   close(sockfd);277   return 0;278 }

 

四.验证                                                                

1.验证水平触发的非阻塞sockfd,关键代码在247行。编译运行

 代码里面休眠了3秒,模拟繁忙服务器不能很快处理accept()请求。这里,我们开另一个终端快速用5个连接连到服务器:

 

我们再看看服务器的反映,可以看到5个终端连接都处理完成了,返回的新connfd依次为5,6,7,8,9:

 

上面测试完毕后,我们批量kill掉那5个客户端,方便后面的测试:

1 $:for i in {1..5};do kill %$i;done

 

2.边缘触发的非阻塞sockfd,我们注释掉247行的代码,放开250行的代码。编译运行后,用同样的方法,快速创建5个客户端连接,或者测试5个后再测试10个。再看服务器的反映,5个客户端只处理了2个。说明高并发时,会出现客户端连接不上的问题:

 

 

3.水平触发的阻塞connfd,我们先把sockfd改回到水平触发,注释250行的代码,放开247行。重点代码在263行。

编译运行后,用一个客户端连接,并发送1-9这几个数:

再看服务器的反映,可以看到水平触发触发了2次。因为我们代码里面设置的缓冲区是5字节,处理代码一次接收不完,水平触发一直触发,直到数据全部读取完毕:

 

4.水平触发的非阻塞connfd。注释263行的代码,放开266行的代码。同上面那样测试,我们可以看到服务器反馈的消息跟上面测试一样。这里我就不再截图。

5.边缘触发的阻塞connfd,注释其他测试代码,放开269行的代码。先测试不带循环的ET模式(即不循环读取数据,跟水平触发读取一样),注释178行的代码,放开181行的代码。

编译运行后,开启一个客户端连接,并发送1-9这几个数字,再看看服务器的反映,可以看到边缘触发只触发了一次,只读取了5个字节:

我们继续在刚才的客户端发送一个字符a,告诉epoll_wait(),有新的可读事件发生:

再看看服务器,服务器又触发了一次新的边缘触发,并继续读取上次没读完的6789加一个回车符:

这个时候,如果继续在刚刚的客户端再发送一个a,客户端这个时候就会读取上次没读完的a加上次的回车符,2个字节,还剩3个字节的缓冲区就可以读取本次的a加本次的回车符共4个字节:

我们可以看到,阻塞的边缘触发,如果不一次性读取一个事件上的数据,会干扰下一个事件!!!

 

接下来,我们就一次性读取数据,即带循环的ET模式。注意:我们这里测试的还是边缘触发的阻塞connfd,只是换个读取数据的方式。

注释181行代码,放开178的代码。编译运行,依然用一个客户端连接,发送1-9。看看服务器,可以看到数据全部读取完毕:

 

细心的朋友肯定发现了问题,程序没有输出"带循环的ET处理结束",是因为程序一直卡在了88行的recv()函数上,因为是阻塞IO,如果没数据可读,它会一直等在那里,直到有数据可读。如果这个时候,用另一个客户端去连接,服务器不能受理这个新的客户端!!!

 

6.边缘触发的非阻塞connfd,不带循环的ET测试同上面一样,数据不会读取完。这里我们就只需要测试带循环的ET处理,即正规的边缘触发用法。注释其他测试代码,放开272行代码。编译运行,用一个客户端连接,并发送1-9。再观测服务器的反映,可以看到数据全部读取完毕,处理函数也退出了,因为非阻塞IO如果没有数据可读时,会立即返回,并设置error,这里我们根据EAGAIN和EWOULDBLOCK来判断数据全部读取完毕了,可以退出循环了:

这个时候,我们用另一个客户端去连接,服务器依然可以正常接收请求:

 

五.总结                                                                  

1.对于监听的sockfd,最好使用水平触发模式,边缘触发模式会导致高并发情况下,有的客户端会连接不上。如果非要使用边缘触发,网上有的方案是用while来循环accept()。

2.对于读写的connfd,水平触发模式下,阻塞和非阻塞效果都一样,不过为了防止特殊情况,还是建议设置非阻塞。

3.对于读写的connfd,边缘触发模式下,必须使用非阻塞IO,并要一次性全部读写完数据。