select,epool,pool解释

内容主要来自搜狗实验室技术交流文档,

编写链接数巨大的高负载服务器程序时,经典的多线程模式和select模式都不再适合了.应该采用epool/kqueue/dev_pool来捕获IO事件.

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问题的由来:

C10K问题的最大特点就是:设计不够良好的程序,其性能和链接数以及机器性能的关系是非线性的.

例子:没有考虑过C10k问题,一个经典的基于select的程序能在就服务器上很耗处理1000并发的吞吐量,但是在2倍性能新服务器上往往处理不了并发2000的吞吐量.

因为:大量操作的消耗和当前链接数n成线性相关.

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基本策略:

主要有两个方面的策略:

1,应用软件以何种方式和操作系统合作,获取IO事件并调度多个socket上的IO操作;

2,应用软件以何种方式处理任务和线程/进程的关系.

前者主要有阻塞IO,费阻塞IO,异步IO三种方式

后者主要有每任务1进程,每任务1线程,单线程,多任务共享线程池以及一些更复杂的变种方案.

常用的经典策略如下:

1,serve one client with each thread/process, and use blocking IO.,

2,serve many clients with single thread, and use nonblocking IO and readiness notification.

3,serve many clients with each thread, and use nonblocking IO and readliness notification

4,serve many clienets witch each thread, and use asynchronous IO.

接下俩主要介绍策略2.

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经典的单线程服务器程序结构往往如下:

do{
    get readiness notification of all sockets
    dispatch ready handles to corresponding handlers
    if(readable){
        read the socketsif
        if(read done){
            handler process the request

        }
    }
    if(writable){
        write response
    }
    if(nothing to do){
        close socket
    }
}while(True)

其中关键的部分就是readiness notification,找出哪一个socket上面发生了IO事件.

一般从教科书和例子程序中会学到select来实现,

select函数的定义:

int select(int n,fd_set *rd_fds,fd_set *wr_fds, fd_set *ex_fds,struct timeval *timeout);

select用到了fd_set结构,从man page里可以看到fd_set能容纳的句柄和FD_SETSIZE相关.实际上fd_set在*nix下是一个bit标志数组,每个bit表示对应下标的fd是不是在fd_set中.  fd_set只能容纳编号小于FD_SETSIZE的那些句柄.

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FD_SETSIZE默认是1024,如果向fd_set中放入过大的句柄,数组越界以后程序就会垮掉.系统默认限制了一个进程最大的句柄号小于 1024,但是可以通过ulimit  -n命令或者setrlimit函数来扩大这一限制.如果不幸一个程序在FD_SETSIZE=1024的环境下编译,运行时又遇到ulimit --n>1014的,会出现未定义错误.

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针对fd_set的问题,*nix提供了poll函数作为select的一个替代品,

int poll(struct poollfd *ufds, unsigned int nfds  ,int timeout);

第一个参数ufds是用户提供的一个pollfd数组,数组大小由用户自行决定.因此避免了FD_SETSIZE带来的麻烦.

ufds是fd_set的一个完全替代品,从select到poll的一直很方便,到此我们面对C10k,可以写出一个能work的程序了.

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但是select/poll在链接数增加时,性能急剧下降.

因为:

1,os面对每次的select/poll操作,都需要重新建立一个当前线程的关心事件列表,并把线程挂到这个复杂的等待队列上,耗时.

2,app在select/poll返回后,也需要堆传入的句柄列表做一次扫描来dispatch,耗时.

这两件事,都是和并发数相关,而事件IO的密度也和并发数相关,导致cpu占用率和并发数近似成O(n²)的关系.

-----------epoll出厂了.

因为以上原因,*nix的开发者开发了epoll,kqueue,/dev/poll这3套利器来帮助大家,

epoll是linux的方案,kqueue是freebsd方案,/dev/poll是最古老的solaris方案,使用难度一次递增.

为什么这些api是优化方案:

1,避免了每次调用select/poll时kernel分析参数建立事件等待结构的开销,kernel维护一个长期的事件关注列表,

应用程序通过句柄修改这个列表和捕获IO事件

2,避免了select/poll返回后,app扫描整个句柄表的开销,kernel直接返回具体的事件列表为app.

---先了解

边缘触发(edge trigger):指每当状态变化时发生一个IO事件

和条件触发(level trigger):只要满足条件就发生一个IO事件

举个例子:读socket,假设进过长时间沉默后,来了100个字节,这是无论边缘触发/条件触发都会产生一个read ready notification通知应用程序可读.  app先读了50bytes,重新调用api等待io,这时条件触发的api因为还有50bytes刻度可立即返回用户一个read ready notification.  而边缘触发的api因为这个可读状态没变陷入长期等待.

使用边缘触发的api时,注意每次要读到socket返回EWOULDBLOCK为止,否则这个socket就废了.

而条件触发的api,如果app不需要写就不要关注socket可写的事件,否则会无限次的立即返回一个write ready notification.

条件触发比较常用.

int epoll_create(int size);
int epool_ctl(int epfd,int op,int fd, struct epoll_event *event);
int epool_wait(int epfd,struct epoll_event *events, int maxevents,int timeout);

epoll_create 创建kernel中的关注事件表,相当于创建fd_set

epoll_ctl 修改这个表,相当于FD_SET等操作

epoll_wait 等待IO事件发生,相当于select/poll函数

epoll完全是select/poll的升级版,支持的事件一致.并且epoll同时支持条件/边缘触发(后者较好).

struct epoll_event ev,*events;
int kdpdf = epoll_create();
ev.events = EPOOL|EPOLLET;//edge trigger
ev.data.fd = listener;
epoll_ctl(kdpfd,EPOLL_CTL_ADD,listener,&ev);
for(;;){
    nfds = epoll_wait(kdpfd,events,maxevents,-);
    for(n = ;n<nfds;n++){
        if(events[n].data.fd == listener){
            client = accept(listener,(struct sockaddr *)&local,&addrlen);
            if(client <){
                perror("accept");
                continue;
            }
            setnonblocking(client);
            ev.events = EPOOLIN|EPOOLET;
            ev.data.fd = client;
            if(epoll_ctl(kdpfd,EPOLL_CTL_ADD,client,&ev)<){
                fprintf(stderr,"epoll set insertion error: fd=%d0",client)
                return -;
            }
        }else{
            do_use_fd(events[n].data.fd);
        }
    }
}