Linux2.6內(nèi)核中提高網(wǎng)絡(luò)I/O性能-epoll

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

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Linux2.6內(nèi)核epoll介紹---我的blog 2005/3/30

[作者]：滕昱,2005/3/30,0.1版本

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(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(jīng)5年多了，但是他的書依然是進入網(wǎng)絡(luò)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(xié)議各個選項的詳細定義，你就失去了優(yōu)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(nèi)核TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)----這個版本的協(xié)議棧幾乎影響了現(xiàn)在所有的主流os，但是因為年代久遠，內(nèi)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(nèi)核講解Linux TCP/IP實現(xiàn)，相當不錯.作為一個現(xiàn)實世界中的實現(xiàn)，很多時候你必須作很多權(quán)衡，這時候參考一個久經(jīng)考驗的系統(tǒng)更有實際意義。舉個例子,linux內(nèi) 核中sk_buff結(jié)構(gòu)為了追求速度和安全，犧牲了部分內(nèi)存，所以在發(fā)送TCP包的時候，無論應(yīng)用層數(shù)據(jù)多大,sk_buff最小也有272的字節(jié).

其 實對于socket應(yīng)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(wǎng)絡(luò)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(xiàn)就沒有一個完美的方 案。最著名的windows完成端口實現(xiàn)的AIO,實際上也是內(nèi)部用線程池實現(xiàn)的罷了，最后的結(jié)果是IO有個線程池，你應(yīng)用也需要一個線程池...... 很多文檔其實已經(jīng)指出了這帶來的線程context-switch帶來的代價。

在linux 平臺上，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)AIO一直是改動最多的地方，2.4的年代就有很多AIO內(nèi)核patch,最著名的應(yīng)該算是SGI那個。但是一直到2.6內(nèi)核發(fā)布，網(wǎng)絡(luò) 模塊的AIO一直沒有進入穩(wěn)定內(nèi)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(nèi)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(tǒng)buffer直接寫硬盤，對于流服務(wù)器在內(nèi)存平穩(wěn)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(xiàn)，只不過推動力在于你而不是os而已。不過傳統(tǒng)的select/poll函數(shù)有著一些無法忍受的缺 點，所以改進一直是2.4-2.5開發(fā)版本內(nèi)核的任務(wù)，包括/dev/poll，reltime signal等等。最終，Davide Libenzi開發(fā)的epoll進入2.6內(nèi)核成為正式的解決方案

(2)epoll的優(yōu)點

<1>支持一個進程打開大數(shù)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(shè)置，默認值是2048。對于那些需要支持的上萬連接數(shù)目的IM服務(wù)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(nèi)核，不過資料也同時指出這樣會帶來網(wǎng)絡(luò)效率的下降，二是可以選擇多進程的解決方案(傳統(tǒng)的 Apache方案)，不過雖然linux上面創(chuàng)建進程的代價比較小，但仍舊是不可忽視的，加上進程間數(shù)據(jù)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(shù)目，這個數(shù)字一般遠大于2048,舉個例子,在1GB內(nèi)存的機器上大約是10萬左 右，具體數(shù)目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般來說這個數(shù)目和系統(tǒng)內(nèi)存關(guān)系很大。

<2>IO效率不隨FD數(shù)目增加而線性下降

傳 統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)延時，任一時間只有部分的socket是"活躍 "的，但是select/poll每次調(diào)用都會線性掃描全部的集合，導致效率呈現(xiàn)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(nèi)核實現(xiàn)中epoll是根據(jù)每個fd上面的callback函數(shù)實現(xiàn)的。那么，只有"活躍"的socket才會主動 的去調(diào)用 callback函數(shù)，其他idle狀態(tài)socket則不會，在這點上，epoll實現(xiàn)了一個"偽"AIO，因為這時候推動力在os內(nèi)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(huán)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(huán)境,epoll的效率就遠在select/poll之上了。

<3>使用mmap加速內(nèi)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(xiàn)了。無論是select,poll還是epoll都需要內(nèi)核把FD消息通知給用戶空間，如何避免不必要的內(nèi)存 拷貝就很重要，在這點上，epoll是通過內(nèi)核于用戶空間mmap同一塊內(nèi)存實現(xiàn)的。而如果你想我一樣從2.5內(nèi)核就關(guān)注epoll的話，一定不會忘記手 工 mmap這一步的。

<4>內(nèi)核微調(diào)

這一點其實不 算epoll的優(yōu)點了，而是整個linux平臺的優(yōu)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(diào)內(nèi)核的 能力。比如，內(nèi)核TCP/IP協(xié)議棧使用內(nèi)存池管理sk_buff結(jié)構(gòu)，那么可以在運行時期動態(tài)調(diào)整這個內(nèi)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(shù)的第2個參數(shù)(TCP完成3次握手 的數(shù)據(jù)包隊列長度)，也可以根據(jù)你平臺內(nèi)存大小動態(tài)調(diào)整。更甚至在一個數(shù)據(jù)包面數(shù)目巨大但同時每個數(shù)據(jù)包本身大小卻很小的特殊系統(tǒng)上嘗試最新的NAPI網(wǎng) 卡驅(qū)動架構(gòu)。

(3)epoll的使用

令人高興的是，2.6內(nèi)核的epoll比其2.5開發(fā)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(nèi)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(nèi)核還是會繼續(xù)通知你 的，所以，這種模式編程出錯誤可能性要小一點。傳統(tǒng)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?yōu)榫途w時，內(nèi)核通過epoll告訴你。然后它會假設(shè)你知道文件描述符已經(jīng)就緒，并且不會再為那個文件描述 符發(fā)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(tài)了(比如，你在發(fā)送，接收或者接收請求，或者發(fā)送接收的數(shù)據(jù)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(nèi)核不會發(fā)送更多的通知(only once),不過在TCP協(xié)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(tǒng)調(diào)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(xiàn)，以及和epoll的配合

.....未完成，主要是要避免過多的epoll_ctl調(diào)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(shè)一個非阻塞的socket監(jiān)聽listener被建立并且一個epoll句柄kdpfd已經(jīng)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(shè)置epoll
??????? s_epfd = epoll_create(65535);

??????? {//這個過程可以循環(huán)以便加入多個LISTEN套接字進入epoll事件集合
??????????????? //服務(wù)器監(jiān)聽創(chuàng)建
??????????????? rc = listen();//listen參數(shù)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(shù)這里省略了
??????????????????????? if(0 > sock_new) {
??????????????????????????????? fprintf(stderr, "接收客戶端連接失敗\n");
??????????????????????????????? continue;
??????????????????????? }
??????????????? }
??????? }
}

對照safedead和前面的一份代碼，我想大家一定是明白了的。

5、參考文檔
Improving (network) I/O performance ...
http://www.xmailserver.org/linux-patches/nio-improve.html