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基于select、poll、epoll的区别详解

运维开发网 https://www.qedev.com 2020-02-12 20:29 出处:网络 作者: 网络整理
本篇文章是对select、poll、epoll之间的区别进行了详细的分析介绍。需要的朋友参考下
Linux提供了select、poll、epoll接口来实现IO复用,三者的原型如下所示,本文从参数、实现、性能等方面对三者进行对比。

复制代码 代码如下:

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

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

 

select、poll、epoll_wait参数及实现对比

1.select的第一个参数nfds为fdset集合中最大描述符值加1,fdset是一个位数组,其大小限制为__FD_SETSIZE(1024),位数组的每一位代表其对应的描述符是否需要被检查。

select的第二三四个参数表示需要关注读、写、错误事件的文件描述符位数组,这些参数既是输入参数也是输出参数,可能会被内核修改用于标示哪些描述符上发生了关注的事件。所以每次调用select前都需要重新初始化fdset。

timeout参数为超时时间,该结构会被内核修改,其值为超时剩余的时间。

 

select对应于内核中的sys_select调用,sys_select首先将第二三四个参数指向的fd_set拷贝到内核,然后对每个被SET的描述符调用进行poll,并记录在临时结果中(fdset),如果有事件发生,select会将临时结果写到用户空间并返回;当轮询一遍后没有任何事件发生时,如果指定了超时时间,则select会睡眠到超时,睡眠结束后再进行一次轮询,并将临时结果写到用户空间,然后返回。

select返回后,需要逐一检查关注的描述符是否被SET(事件是否发生)。

2.poll与select不同,通过一个pollfd数组向内核传递需要关注的事件,故没有描述符个数的限制,pollfd中的events字段和revents分别用于标示关注的事件和发生的事件,故pollfd数组只需要被初始化一次。

poll的实现机制与select类似,其对应内核中的sys_poll,只不过poll向内核传递pollfd数组,然后对pollfd中的每个描述符进行poll,相比处理fdset来说,poll效率更高。

poll返回后,需要对pollfd中的每个元素检查其revents值,来得指事件是否发生。

3.epoll通过epoll_create创建一个用于epoll轮询的描述符,通过epoll_ctl添加/修改/删除事件,通过epoll_wait检查事件,epoll_wait的第二个参数用于存放结果。

epoll与select、poll不同,首先,其不用每次调用都向内核拷贝事件描述信息,在第一次调用后,事件信息就会与对应的epoll描述符关联起来。另外epoll不是通过轮询,而是通过在等待的描述符上注册回调函数,当事件发生时,回调函数负责把发生的事件存储在就绪事件链表中,最后写到用户空间。

epoll返回后,该参数指向的缓冲区中即为发生的事件,对缓冲区中每个元素进行处理即可,而不需要像poll、select那样进行轮询检查。

select、poll、epoll_wait性能对比

select、poll的内部实现机制相似,性能差别主要在于向内核传递参数以及对fdset的位操作上,另外,select存在描述符数的硬限制,不能处理很大的描述符集合。这里主要考察poll与epoll在不同大小描述符集合的情况下性能的差异。

测试程序会统计在不同的文件描述符集合的情况下,1s内poll与epoll调用的次数。统计结果如下,从结果可以看出,对poll而言,每秒钟内的系统调用数目虽集合增大而很快降低,而epoll基本保持不变,具有很好的扩展性。

描述符集合大小

poll

epoll

1

331598

258604

10

330648

297033

100

91199

288784

1000

27411

296357

5000

5943

288671

10000

2893

292397

25000

1041

285905

50000

536

293033

100000

224

285825

一、连接数

我本人也曾经在项目中用过select和epoll,对于select,感触最深的是Linux下select最大数目限制(windows 下似乎没有限制),每个进程的select最多能处理FD_SETSIZE个FD(文件句柄),

如果要处理超过1024个句柄,只能采用多进程了。

常见的使用slect的多进程模型是这样的: 一个进程专门accept,成功后将fd通过unix socket传递给子进程处理,父进程可以根据子进程负载分派。曾经用过1个父进程+4个子进程 承载了超过4000个的负载。

这种模型在我们当时的业务运行的非常好。epoll在连接数方面没有限制,当然可能需要用户调用API重现设置进程的资源限制。

二、IO差别

1、select的实现

这段可以结合Linux内核代码描述了,我使用的是2.6.28,其他2.6的代码应该差不多吧。

先看看select:

select系统调用的代码在fs/Select.c下,

复制代码 代码如下:

asmlinkage long sys_select(int n, fd_set __user *inp, fd_set __user *outp,

            fd_set __user *exp, struct timeval __user *tvp)

{

    struct timespec end_time, *to = NULL;

    struct timeval tv;

    int ret;

    if (tvp) {

        if (copy_from_user(&tv, tvp, sizeof(tv)))

            return -EFAULT;

        to = &end_time;

        if (poll_select_set_timeout(to,

                tv.tv_sec + (tv.tv_usec / USEC_PER_SEC),

                (tv.tv_usec % USEC_PER_SEC) * NSEC_PER_USEC))

            return -EINVAL;

    }

    ret = core_sys_select(n, inp, outp, exp, to);

    ret = poll_select_copy_remaining(&end_time, tvp, 1, ret);

    return ret;

}

前面是从用户控件拷贝各个fd_set到内核空间,接下来的具体工作在core_sys_select中,

core_sys_select->do_select,真正的核心内容在do_select里:

复制代码 代码如下:

int do_select(int n, fd_set_bits *fds, struct timespec *end_time)

{

    ktime_t expire, *to = NULL;

    struct poll_wqueues table;

    poll_table *wait;

    int retval, i, timed_out = 0;

    unsigned long slack = 0;

    rcu_read_lock();

    retval = max_select_fd(n, fds);

    rcu_read_unlock();

    if (retval < 0)

        return retval;

    n = retval;

    poll_initwait(&table);

    wait = &table.pt;

    if (end_time && !end_time->tv_sec && !end_time->tv_nsec) {

        wait = NULL;

        timed_out = 1;

    }

    if (end_time && !timed_out)

        slack = estimate_accuracy(end_time);

    retval = 0;

    for (;;) {

        unsigned long *rinp, *routp, *rexp, *inp, *outp, *exp;

        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);

        inp = fds->in; outp = fds->out; exp = fds->ex;

        rinp = fds->res_in; routp = fds->res_out; rexp = fds->res_ex;

        for (i = 0; i < n; ++rinp, ++routp, ++rexp) {

            unsigned long in, out, ex, all_bits, bit = 1, mask, j;

            unsigned long res_in = 0, res_out = 0, res_ex = 0;

            const struct file_operations *f_op = NULL;

            struct file *file = NULL;

            in = *inp++; out = *outp++; ex = *exp++;

            all_bits = in | out | ex;

            if (all_bits == 0) {

                i += __NFDBITS;

                continue;

            }

            for (j = 0; j < __NFDBITS; ++j, ++i, bit <<= 1) {

                int fput_needed;

                if (i >= n)

                    break;

                if (!(bit & all_bits))

                    continue;

                file = fget_light(i, &fput_needed);

                if (file) {

                    f_op = file->f_op;

                    mask = DEFAULT_POLLMASK;

                    if (f_op && f_op->poll)

                        mask = (*f_op->poll)(file, retval ? NULL : wait);

                    fput_light(file, fput_needed);

                    if ((mask & POLLIN_SET) && (in & bit)) {

                        res_in |= bit;

                        retval++;

                    }

                    if ((mask & POLLOUT_SET) && (out & bit)) {

                        res_out |= bit;

                        retval++;

                    }

                    if ((mask & POLLEX_SET) && (ex & bit)) {

                        res_ex |= bit;

                        retval++;

                    }

                }

            }

            if (res_in)

                *rinp = res_in;

            if (res_out)

                *routp = res_out;

            if (res_ex)

                *rexp = res_ex;

            cond_resched();

        }

        wait = NULL;

        if (retval || timed_out || signal_pending(current))

            break;

        if (table.error) {

            retval = table.error;

            break;

        }

        /*

         * If this is the first loop and we have a timeout

         * given, then we convert to ktime_t and set the to

         * pointer to the expiry value.

         */

        if (end_time && !to) {

            expire = timespec_to_ktime(*end_time);

            to = &expire;

        }

        if (!schedule_hrtimeout_range(to, slack, HRTIMER_MODE_ABS))

            timed_out = 1;

    }

    __set_current_state(TASK_RUNNING);

    poll_freewait(&table);

    return retval;

}

上面的代码很多,其实真正关键的代码是这一句:

复制代码 代码如下:

mask = (*f_op->poll)(file, retval ? NULL : wait);

这个是调用文件系统的 poll函数,不同的文件系统poll函数自然不同,由于我们这里关注的是tcp连接,而socketfs的注册在 net/Socket.c里。

register_filesystem(&sock_fs_type);

socket文件系统的函数也是在net/Socket.c里:

static const struct file_operations socket_file_ops = {

    .owner =    THIS_MODULE,

    .llseek =    no_llseek,

    .aio_read =    sock_aio_read,

    .aio_write =    sock_aio_write,

    .poll =        sock_poll,

    .unlocked_ioctl = sock_ioctl,

#ifdef CONFIG_COMPAT

    .compat_ioctl = compat_sock_ioctl,

#endif

    .mmap =        sock_mmap,

    .open =        sock_no_open,    /* special open code to disallow open via /proc */

    .release =    sock_close,

    .fasync =    sock_fasync,

    .sendpage =    sock_sendpage,

    .splice_write = generic_splice_sendpage,

    .splice_read =    sock_splice_read,

};

从sock_poll跟随下去,

最后可以到 net/ipv4/tcp.c的

unsigned int tcp_poll(struct file *file, struct socket *sock, poll_table *wait)

这个是最终的查询函数,

也就是说select 的核心功能是调用tcp文件系统的poll函数,不停的查询,如果没有想要的数据,主动执行一次调度(防止一直占用cpu),直到有一个连接有想要的消息为止。

从这里可以看出select的执行方式基本就是不同的调用poll,直到有需要的消息为止,如果select 处理的socket很多,这其实对整个机器的性能也是一个消耗。

2、epoll的实现

epoll的实现代码在 fs/EventPoll.c下,

由于epoll涉及到几个系统调用,这里不逐个分析了,仅仅分析几个关键点,

第一个关键点在

static int ep_insert(struct eventpoll *ep, struct epoll_event *event,

             struct file *tfile, int fd)

这是在我们调用sys_epoll_ctl 添加一个被管理socket的时候调用的函数,关键的几行如下:

复制代码 代码如下:

epq.epi = epi;

    init_poll_funcptr(&epq.pt, ep_ptable_queue_proc);

    /*

     * Attach the item to the poll hooks and get current event bits.

     * We can safely use the file* here because its usage count has

     * been increased by the caller of this function. Note that after

     * this operation completes, the poll callback can start hitting

     * the new item.

     */

    revents = tfile->f_op->poll(tfile, &epq.pt);

这里也是调用文件系统的poll函数,不过这次初始化了一个结构,这个结构会带有一个poll函数的callback函数:ep_ptable_queue_proc,

在调用poll函数的时候,会执行这个callback,这个callback的功能就是将当前进程添加到 socket的等待进程上。

复制代码 代码如下:

static void ep_ptable_queue_proc(struct file *file, wait_queue_head_t *whead,

                 poll_table *pt)

{

    struct epitem *epi = ep_item_from_epqueue(pt);

    struct eppoll_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 {

        /* We have to signal that an error occurred */

        epi->nwait = -1;

    }

注意到参数 whead 实际上是 sk->sleep,其实就是将当前进程添加到sk的等待队列里,当该socket收到数据或者其他事件触发时,会调用

sock_def_readable 或者sock_def_write_space 通知函数来唤醒等待进程,这2个函数都是在socket创建的时候填充在sk结构里的。

从前面的分析来看,epoll确实是比select聪明的多、轻松的多,不用再苦哈哈的去轮询了。

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