epoll三个优点（深入理解epoll）

逗爷 2023-05-06 19:28:46 415

epoll三个优点（深入理解epoll）2、很多文章把网络 IO 划分为阻塞，非阻塞，同步，异步。并表示：非阻塞的性能比阻塞性能好，异步的性能比同步性能好。1、epoll 性能到底有多高。很多文章介绍 epoll 可以轻松处理几十万个连接。而传统 IO 只能处理几百个连接是不是说 epoll 的性能就是传统 IO 的千倍呢？Epoll 是个很老的知识点，是后端工程师的经典必修课。这种知识具备的特点就是研究的人多，所以研究的趋势就会越来越深。当然分享的人也多，由于分享者水平参差不齐，也产生的大量错误理解。今天我再次分享 epoll，肯定不会列个表格，对比一下差异，那就太无聊了。我将从线程阻塞的原理，中断优化，网卡处理数据过程出发，深入的介绍 epoll 背后的原理，最后还会 diss 一些流行的观点。相信无论你是否已经熟悉 epoll，本文都会对你有价值。正文开始前，先问大家几个问题。

作者：冯志明

2019年至今负责搜索算法的相关工作，擅长处理复杂的业务系统，对底层技术有浓厚兴趣。

来源:Qunar技术沙龙

出处：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3NDcyMTQyNQ==&mid=2649266286&idx=1&sn=16214c57d7c68daf6db48903849d6776

1 简介

Epoll 是个很老的知识点，是后端工程师的经典必修课。这种知识具备的特点就是研究的人多，所以研究的趋势就会越来越深。当然分享的人也多，由于分享者水平参差不齐，也产生的大量错误理解。

今天我再次分享 epoll，肯定不会列个表格，对比一下差异，那就太无聊了。我将从线程阻塞的原理，中断优化，网卡处理数据过程出发，深入的介绍 epoll 背后的原理，最后还会 diss 一些流行的观点。相信无论你是否已经熟悉 epoll，本文都会对你有价值。

2 引言

正文开始前，先问大家几个问题。

1、epoll 性能到底有多高。很多文章介绍 epoll 可以轻松处理几十万个连接。而传统 IO 只能处理几百个连接是不是说 epoll 的性能就是传统 IO 的千倍呢？

2、很多文章把网络 IO 划分为阻塞，非阻塞，同步，异步。并表示：非阻塞的性能比阻塞性能好，异步的性能比同步性能好。

如果说阻塞导致性能低，那传统 IO 为什么要阻塞呢？
epoll 是否需要阻塞呢？
Java 的 NIO 和 AIO 底层都是 epoll 实现的，这又怎么理解同步和异步的区别？

3、都是 IO 多路复用。

既生瑜何生亮，为什么会有 select，poll 和 epoll 呢？
为什么 epoll 比 select 性能高？

PS：

本文共包含三大部分： 初识 epoll、epoll 背后的原理、Diss 环节 。

本文的重点是介绍原理，建议读者的关注点尽量放在：“为什么”。

Linux 下进程和线程的区别其实并不大，尤其是在讨论原理和性能问题时，因此本文中“进程”和“线程”两个词是混用的。

3 初识 epoll

epoll 是 Linux 内核的可扩展 I/O 事件通知机制，其最大的特点就是性能优异。下图是 libevent (一个知名的异步事件处理软件库)对 select，poll，epoll ，kqueue 这几个 I/O 多路复用技术做的性能测试。

epoll三个优点（深入理解epoll）(1)

很多文章在描述 epoll 性能时都引用了这个基准测试，但少有文章能够清晰的解释这个测试结果。

这是一个限制了100个活跃连接的基准测试，每个连接发生1000次读写操作为止。纵轴是请求的响应时间，横轴是持有的 socket 句柄数量。随着句柄数量的增加，epoll 和 kqueue 响应时间几乎无变化，而 epoll 和 select 的响应时间却增长了非常多。

可以看出来，epoll 性能是很高的，并且随着监听的文件描述符的增加，epoll 的优势更加明显。

不过，这里限制的100个连接很重要。epoll 在应对大量网络连接时，只有活跃连接很少的情况下才能表现的性能优异。换句话说，epoll 在处理大量非活跃的连接时性能才会表现的优异。如果15000个 socket 都是活跃的，epoll 和 select 其实差不了太多。

为什么 epoll 的高性能有这样的局限性？

问题好像越来越多了，看来我们需要更深入的研究了。

4 epoll背后的原理4.1 阻塞

4.1.1 为什么阻塞

我们以网卡接收数据举例，回顾一下之前我分享过的网卡接收数据的过程。

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为了方便理解，我尽量简化技术细节，可以把接收数据的过程分为4步：

NIC（网卡）接收到数据，通过 DMA 方式写入内存(Ring Buffer 和 sk_buff)。
NIC 发出中断请求（IRQ），告诉内核有新的数据过来了。
Linux 内核响应中断，系统切换为内核态，处理 Interrupt Handler，从RingBuffer 拿出一个 Packet，并处理协议栈，填充 Socket 并交给用户进程。
系统切换为用户态，用户进程处理数据内容。

网卡何时接收到数据是依赖发送方和传输路径的，这个延迟通常都很高，是毫秒(ms)级别的。而应用程序处理数据是纳秒(ns)级别的。也就是说整个过程中，内核态等待数据，处理协议栈是个相对很慢的过程。这么长的时间里，用户态的进程是无事可做的，因此用到了“阻塞（挂起）”。

4.1.2 阻塞不占用 cpu

阻塞是进程调度的关键一环，指的是进程在等待某事件发生之前的等待状态。请看下表，在 Linux 中，进程状态大致有7种（在 include/linux/sched.h 中有更多状态）：

epoll三个优点（深入理解epoll）(3)

从说明中其实就可以发现，“可运行状态”会占用 CPU 资源，另外创建和销毁进程也需要占用 CPU 资源（内核）。重点是，当进程被"阻塞/挂起"时，是不会占用 CPU 资源的。

换个角度来讲。为了支持多任务，Linux 实现了进程调度的功能（CPU 时间片的调度）。而这个时间片的切换，只会在“可运行状态”的进程间进行。因此“阻塞/挂起”的进程是不占用 CPU 资源的。

另外讲个知识点，为了方便时间片的调度，所有“可运行状态”状态的进程，会组成一个队列，就叫 “工作队列” 。

4.1.3 阻塞的恢复

内核当然可以很容易的修改一个进程的状态，问题是网络 IO 中，内核该修改那个进程的状态。

epoll三个优点（深入理解epoll）(4)

socket 结构体，包含了两个重要数据：进程 ID 和端口号。进程 ID 存放的就是执行 connect，send，read 函数，被挂起的进程。在 socket 创建之初，端口号就被确定了下来，操作系统会维护一个端口号到 socket 的数据结构。

当网卡接收到数据时，数据中一定会带着端口号，内核就可以找到对应的 socket，并从中取得“挂起”进程的 ID。将进程的状态修改为“可运行状态”（加入到工作队列）。此时内核代码执行完毕，将控制权交还给用户态。通过正常的“CPU 时间片的调度”，用户进程得以处理数据。

4.1.4 进程模型

上面介绍的整个过程，基本就是 BIO（阻塞 IO）的基本原理了。用户进程都是独立的处理自己的业务，这其实是一种符合进程模型的处理方式。

4.2 上下文切换的优化

上面介绍的过程中，有两个地方会造成频繁的上下文切换，效率可能会很低。

如果频繁的收到数据包，NIC 可能频繁发出中断请求（IRQ）。CPU 也许在用户态，也许在内核态，也许还在处理上一条数据的协议栈。但无论如何，CPU 都要尽快的响应中断。这么做实际上非常低效，造成了大量的上下文切换，也可能导致用户进程长时间无法获得数据。（即使是多核，每次协议栈都没有处理完，自然无法交给用户进程）
每个 Packet 对应一个 socket，每个 socket 对应一个用户态的进程。这些用户态进程转为“可运行状态”，必然要引起进程间的上下文切换。

4.2.1 网卡驱动的 NAPI 机制

在 NIC 上，解决频繁 IRQ 的技术叫做 New API(NAPI) 。原理其实特别简单，把 Interrupt Handler 分为两部分。

函数名为 napi_schedule，专门快速响应 IRQ，只记录必要信息，并在合适的时机发出软中断 softirq。
函数名为 net rx action，在另一个进程中执行，专门响应 napi_schedule 发出的软中断，批量的处理 RingBuffer 中的数据。

所以使用了 NAPI 的驱动，接收数据过程可以简化描述为：

epoll三个优点（深入理解epoll）(5)

NIC 接收到数据，通过 DMA 方式写入内存(Ring Buffer 和 sk_buff)。
NIC 发出中断请求（IRQ），告诉内核有新的数据过来了。
driver 的 napi_ schedule 函数响应 IRQ，并在合适的时机发出软中断（NET_ RX_SOFTIRQ）
driver 的 net_ rx_ action 函数响应软中断，从 Ring Buffer 中批量拉取收到的数据。并处理协议栈，填充 Socket 并交给用户进程。
系统切换为用户态，多个用户进程切换为“可运行状态”，按 CPU 时间片调度，处理数据内容。

一句话概括就是：等着收到一批数据，再一次批量的处理数据。

4.2.2 单线程的 IO 多路复用

内核优化“进程间上下文切换”的技术叫的“IO 多路复用”，思路和 NAPI 是很接近的。

每个 socket 不再阻塞读写它的进程，而是用一个专门的线程，批量的处理用户态数据，这样就减少了线程间的上下文切换。

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作为 IO 多路复用的一个实现，select 的原理也很简单。所有的 socket 统一保存执行 select 函数的（监视进程）进程 ID。任何一个 socket 接收了数据，都会唤醒“监视进程”。内核只要告诉“监视进程”，那些 socket 已经就绪，监视进程就可以批量处理了。

4.3 IO 多路复用的进化4.3.1 对比 epoll 与 select

select，poll 和 epoll 都是“IO 多路复用”，那为什么还会有性能差距呢？篇幅限制，这里我们只简单对比 select 和 epoll 的基本原理差异。

对于内核，同时处理的 socket 可能有很多，监视进程也可能有多个。所以监视进程每次“批量处理数据”，都需要告诉内核它“关心的 socket”。内核在唤醒监视进程时，就可以把“关心的 socket”中，就绪的 socket 传给监视进程。

换句话说，在执行系统调用 select 或 epoll_create 时，入参是“关心的 socket”，出参是“就绪的 socket”。

而 select 与 epoll 的区别在于：

select （一次O(n)查找）

每次传给内核一个用户空间分配的 fd_set 用于表示“关心的 socket”。其结构（相当于 bitset）限制了只能保存1024个 socket。
每次 socket 状态变化，内核利用 fd_set 查询O(1)，就能知道监视进程是否关心这个 socket。
内核是复用了 fd_set 作为出参，返还给监视进程（所以每次 select 入参需要重置）。然而监视进程必须遍历一遍 socket 数组O(n)，才知道哪些 socket 就绪了。

epoll （全是O(1)查找）

每次传给内核一个实例句柄。这个句柄是在内核分配的红黑树 rbr 双向链表 rdllist。只要句柄不变，内核就能复用上次计算的结果。
每次 socket 状态变化，内核就可以快速从 rbr 查询O(1)，监视进程是否关心这个 socket。同时修改 rdllist，所以 rdllist 实际上是“就绪的 socket”的一个缓存。
内核复制 rdllist 的一部分或者全部（LT 和 ET），到专门的 epoll_event 作为出参。所以监视进程，可以直接一个个处理数据，无需再遍历确认。

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