原创分享 流?I/O 操作?阻塞?epoll?

aceld · 2020年03月13日 · 113 次阅读

最近很多 Golang 小伙伴面试居然被问到 epoll?很是头疼? 猜测面试官应该是一个古老的 C/C++ Coder 吧 那么,对于 Gopher 来说,或者后端开发者来说,尤其是做服务器开发,不管从事什么编程语言,epoll 确实都应该是一个必备的知识领域。

本篇文章就是可以让你快速了解什么是 epoll 以及它的作用?

一、流?I/O 操作? 阻塞?

(1) 流
  • 可以进行 I/O 操作的内核对象
  • 文件、管道、套接字……
  • 流的入口:文件描述符 (fd)
(2) I/O 操作

所有对流的读写操作,我们都可以称之为 IO 操作。

当一个流中, 在没有数据 read 的时候,或者说在流中已经写满了数据,再 write,我们的 IO 操作就会出现一种现象,就是阻塞现象,如下图。


(3) 阻塞

阻塞场景: 你有一份快递,家里有个座机,快递到了主动给你打电话,期间你可以休息。

非阻塞,忙轮询场景: 你性子比较急躁, 每分钟就要打电话询问快递小哥一次, 到底有没有到,快递员接你电话要停止运输,这样很耽误快递小哥的运输速度。

  • 阻塞等待

空出大脑可以安心睡觉, 不影响快递员工作(不占用 CPU 宝贵的时间片)。

  • 非阻塞,忙轮询

浪费时间,浪费电话费,占用快递员时间(占用 CPU,系统资源)。

很明显,阻塞等待这种方式,对于通信上是有明显优势的, 那么它有哪些弊端呢?

二、解决阻塞死等待的办法

阻塞死等待的缺点

​ 也就是同一时刻,你只能被动的处理一个快递员的签收业务,其他快递员打电话打不进来,只能干瞪眼等待。那么解决这个问题,家里多买 N 个座机, 但是依然是你一个人接,也处理不过来,需要用影分身术创建都个自己来接电话 (采用多线程或者多进程)来处理。

​ 这种方式就是没有多路 IO 复用的情况的解决方案, 但是在单线程计算机时代 (无法影分身),这简直是灾难。


那么如果我们不借助影分身的方式 (多线程/多进程),该如何解决阻塞死等待的方法呢?

办法一:非阻塞、忙轮询

while true {
    for i in [] {
        if i has 数据 {
             或者 其他处理
        }
    }
}

非阻塞忙轮询的方式,可以让用户分别与每个快递员取得联系,宏观上来看,是同时可以与多个快递员沟通 (并发效果)、 但是快递员在于用户沟通时耽误前进的速度 (浪费 CPU)。


办法二:select

我们可以开设一个代收网点,让快递员全部送到代收点。这个网店管理员叫 select。这样我们就可以在家休息了,麻烦的事交给 select 就好了。当有快递的时候,select 负责给我们打电话,期间在家休息睡觉就好了。

但 select 代收员比较懒,她记不住快递员的单号,还有快递货物的数量。她只会告诉你快递到了,但是是谁到的,你需要挨个快递员问一遍。

while true {
    select([]); //阻塞

  //有消息抵达
    for i in [] {
        if i has 数据 {
             或者 其他处理
        }
    }
}

办法三:epoll

epoll 的服务态度要比 select 好很多,在通知我们的时候,不仅告诉我们有几个快递到了,还分别告诉我们是谁谁谁。我们只需要按照 epoll 给的答复,来询问快递员取快递即可。

while true {
    可处理的流[] = epoll_wait(epoll_fd); //阻塞

  //有消息抵达,全部放在 “可处理的流[]”中
    for i in 可处理的流[] {
         或者 其他处理
    }
}

三、epoll?

  • 与 select,poll 一样,对 I/O 多路复用的技术
  • 只关心 “活跃” 的链接,无需遍历全部描述符集合
  • 能够处理大量的链接请求 (系统可以打开的文件数目)

四、epoll 的 API

(1) 创建 EPOLL
/** 
 * @param size 告诉内核监听的数目 
 * 
 * @returns 返回一个epoll句柄(即一个文件描述符) 
 */
int epoll_create(int size);

使用

int epfd = epoll_create(1000);

创建一个 epoll 句柄,实际上是在内核空间,建立一个 root 根节点,这个根节点的关系与 epfd 相对应。

(2) 控制 EPOLL
/**
* @param epfd 用epoll_create所创建的epoll句柄
* @param op 表示对epoll监控描述符控制的动作
*
* EPOLL_CTL_ADD(注册新的fd到epfd)
* EPOLL_CTL_MOD(修改已经注册的fd的监听事件)
* EPOLL_CTL_DEL(epfd删除一个fd)
*
* @param fd 需要监听的文件描述符
* @param event 告诉内核需要监听的事件
*
* @returns 成功返回0,失败返回-1, errno查看错误信息
*/
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd,
struct epoll_event *event);


struct epoll_event {
    __uint32_t events; /* epoll 事件 */
    epoll_data_t data; /* 用户传递的数据 */
}

/*
 * events : {EPOLLIN, EPOLLOUT, EPOLLPRI,
                         EPOLLHUP, EPOLLET, EPOLLONESHOT}
 */
typedef union epoll_data {
    void *ptr;
    int fd;
    uint32_t u32;
    uint64_t u64;
} epoll_data_t;

使用

struct epoll_event new_event;

new_event.events = EPOLLIN | EPOLLOUT;
new_event.data.fd = 5;

epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, 5, &new_event);

​ 创建一个用户态的事件,绑定到某个 fd 上,然后添加到内核中的 epoll 红黑树中。

(3) 等待 EPOLL
/**
*
* @param epfd 用epoll_create所创建的epoll句柄
* @param event 从内核得到的事件集合
* @param maxevents 告知内核这个events有多大,
* 注意: 值 不能大于创建epoll_create()时的size.
* @param timeout 超时时间
* -1: 永久阻塞
* 0: 立即返回,非阻塞
* >0: 指定微秒
*
* @returns 成功: 有多少文件描述符就绪,时间到时返回0
* 失败: -1, errno 查看错误
*/
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *event,
                             int maxevents, int timeout);

使用

struct epoll_event my_event[1000];

int event_cnt = epoll_wait(epfd, my_event, 1000, -1);

epoll_wait是一个阻塞的状态,如果内核检测到 IO 的读写响应,会抛给上层的 epoll_wait, 返回给用户态一个已经触发的事件队列,同时阻塞返回。开发者可以从队列中取出事件来处理,其中事件里就有绑定的对应 fd 是哪个 (之前添加 epoll 事件的时候已经绑定)。

(4) 使用 epoll 编程主流程骨架
int epfd = epoll_crete(1000);

//将 listen_fd 添加进 epoll 中
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd,&listen_event);

while (1) {
    //阻塞等待 epoll 中 的fd 触发
    int active_cnt = epoll_wait(epfd, events, 1000, -1);

    for (i = 0 ; i < active_cnt; i++) {
        if (evnets[i].data.fd == listen_fd) {
            //accept. 并且将新accept 的fd 加进epoll中.
        }
        else if (events[i].events & EPOLLIN) {
            //对此fd 进行读操作
        }
        else if (events[i].events & EPOLLOUT) {
            //对此fd 进行写操作
        }
    }
}

9、Golang 中的 Channel 底层深度剖析

​ 首先声明,本文不介绍 channel 的基础语法和使用场景,如果想 golang 中的 channel 的基础语法其他地方有很多地方介绍。这里只介绍 channel 的一些底层实现原理的剖析。

(1) Channel 特性

首先,我们先复习一下 Channel 都有哪些特性?

  • 给一个 nil channel 发送数据,造成永远阻塞

  • 从一个 nil channel 接收数据,造成永远阻塞

  • 给一个已经关闭的 channel 发送数据,引起 panic

  • 从一个已经关闭的 channel 接收数据,如果缓冲区中为空,则返回一个零值

  • 无缓冲的 channel 是同步的,而有缓冲的 channel 是非同步的

以上 5 个特性是死东西,也可以通过口诀来记忆:“空读写阻塞,写关闭异常,读关闭空零”。

下面以简单的示例来演示 Go 如何通过 channel 来实现通信。

package main
import (
    "fmt"
    "time"
)
func goRoutineA(a <-chan int) {
    val := <-a
    fmt.Println("goRoutineA received the data", val)
}
func goRoutineB(b chan int) {
    val := <-b
    fmt.Println("goRoutineB  received the data", val)
}
func main() {
    ch := make(chan int, 3)
    go goRoutineA(ch)
    go goRoutineB(ch)
    ch <- 3
    time.Sleep(time.Second * 1)
}

五、epoll 的触发模式

(1) 水平触发

水平触发的主要特点是,如果用户在监听epoll事件,当内核有事件的时候,会拷贝给用户态事件,但是如果用户只处理了一次,那么剩下没有处理的会在下一次 epoll_wait 再次返回该事件

这样如果用户永远不处理这个事件,就导致每次都会有该事件从内核到用户的拷贝,耗费性能,但是水平触发相对安全,最起码事件不会丢掉,除非用户处理完毕。

(2) 边缘触发

边缘触发,相对跟水平触发相反,当内核有事件到达, 只会通知用户一次,至于用户处理还是不处理,以后将不会再通知。这样减少了拷贝过程,增加了性能,但是相对来说,如果用户马虎忘记处理,将会产生事件丢的情况。

五、简单的 epoll 服务器 (C 语言)

(1) 服务端
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <ctype.h>
#include <string.h>

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

#include <sys/epoll.h>

#define SERVER_PORT (7778)
#define EPOLL_MAX_NUM (2048)
#define BUFFER_MAX_LEN (4096)

char buffer[BUFFER_MAX_LEN];

void str_toupper(char *str)
{
    int i;
    for (i = 0; i < strlen(str); i ++) {
        str[i] = toupper(str[i]);
    }
}

int main(int argc, char **argv)
{
    int listen_fd = 0;
    int client_fd = 0;
    struct sockaddr_in server_addr;
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_len;

    int epfd = 0;
    struct epoll_event event, *my_events;

    / socket
        listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // bind
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
    bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));

    // listen
    listen(listen_fd, 10);

    // epoll create
    epfd = epoll_create(EPOLL_MAX_NUM);
    if (epfd < 0) {
        perror("epoll create");
        goto END;
    }

    // listen_fd -> epoll
    event.events = EPOLLIN;
    event.data.fd = listen_fd;
    if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &event) < 0) {
        perror("epoll ctl add listen_fd ");
        goto END;
    }

    my_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) * EPOLL_MAX_NUM);


    while (1) {
        // epoll wait
        int active_fds_cnt = epoll_wait(epfd, my_events, EPOLL_MAX_NUM, -1);
        int i = 0;
        for (i = 0; i < active_fds_cnt; i++) {
            // if fd == listen_fd
            if (my_events[i].data.fd == listen_fd) {
                //accept
                client_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);
                if (client_fd < 0) {
                    perror("accept");
                    continue;
                }

                char ip[20];
                printf("new connection[%s:%d]\n", inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, ip, sizeof(ip)), ntohs(client_addr.sin_port));

                event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
                event.data.fd = client_fd;
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, &event);
            }
            else if (my_events[i].events & EPOLLIN) {
                printf("EPOLLIN\n");
                client_fd = my_events[i].data.fd;

                // do read

                buffer[0] = '\0';
                int n = read(client_fd, buffer, 5);
                if (n < 0) {
                    perror("read");
                    continue;
                }
                else if (n == 0) {
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, client_fd, &event);
                    close(client_fd);
                }
                else {
                    printf("[read]: %s\n", buffer);
                    buffer[n] = '\0';
#if 1
                    str_toupper(buffer);
                    write(client_fd, buffer, strlen(buffer));
                    printf("[write]: %s\n", buffer);
                    memset(buffer, 0, BUFFER_MAX_LEN);
#endif

                    /*
                       event.events = EPOLLOUT;
                       event.data.fd = client_fd;
                       epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, client_fd, &event);
                       */
                }
            }
            else if (my_events[i].events & EPOLLOUT) {
                printf("EPOLLOUT\n");
                /*
                   client_fd = my_events[i].data.fd;
                   str_toupper(buffer);
                   write(client_fd, buffer, strlen(buffer));
                   printf("[write]: %s\n", buffer);
                   memset(buffer, 0, BUFFER_MAX_LEN);

                   event.events = EPOLLIN;
                   event.data.fd = client_fd;
                   epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, client_fd, &event);
                   */
            }
        }
    }

END:
    close(epfd);
    close(listen_fd);
    return 0;
}
(2) 客户端
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

#define MAX_LINE (1024)
#define SERVER_PORT (7778)

void setnoblocking(int fd)
{
    int opts = 0;
    opts = fcntl(fd, F_GETFL);
    opts = opts | O_NONBLOCK;
    fcntl(fd, F_SETFL);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    int sockfd;
    char recvline[MAX_LINE + 1] = {0};

    struct sockaddr_in server_addr;

    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "usage ./client <SERVER_IP>\n");
        exit(0);
    }


    // 创建socket
    if ( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        fprintf(stderr, "socket error");
        exit(0);
    }


    // server addr 赋值
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);

    if (inet_pton(AF_INET, argv[1], &server_addr.sin_addr) <= 0) {
        fprintf(stderr, "inet_pton error for %s", argv[1]);
        exit(0);
    }


    // 链接服务端
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr*) &server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("connect");
        fprintf(stderr, "connect error\n");
        exit(0);
    }

    setnoblocking(sockfd);

    char input[100];
    int n = 0;
    int count = 0;



    // 不断的从标准输入字符串
    while (fgets(input, 100, stdin) != NULL)
    {
        printf("[send] %s\n", input);
        n = 0;
        // 把输入的字符串发送 到 服务器中去
        n = send(sockfd, input, strlen(input), 0);
        if (n < 0) {
            perror("send");
        }

        n = 0;
        count = 0;


        // 读取 服务器返回的数据
        while (1)
        {
            n = read(sockfd, recvline + count, MAX_LINE);
            if (n == MAX_LINE)
            {
                count += n;
                continue;
            }
            else if (n < 0){
                perror("recv");
                break;
            }
            else {
                count += n;
                recvline[count] = '\0';
                printf("[recv] %s\n", recvline);
                break;
            }
        }
    }

    return 0;
}

### 关于作者:

mail: danbing.at@gmail.com

github: https://github.com/aceld

原创书籍 gitbook: http://legacy.gitbook.com/@aceld

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