Android Framework

Linux IO 多路复用 epoll 机制

10/7/2023

本文摘自写给应用开发的 Android Framework 教程，完整教程请查阅 https://yuandaimaahao.github.io/AndroidFrameworkTutorialPages/

# 什么是 IO 多路复用

在 Linux 中：

  • IO 就是对文件的读写操作
  • 多路是指同时读写多个文件
  • 复用是指使用一个程序处理多个文件的同时读写

问题来了，为什么需要多路复用，为了快，要给每一个 fd 通道最快的感受，要让每一个 fd 觉得，你只在给他一个人跑腿。

为了更快的处理多路 IO，大体有两种方案：

  • 一种方案是：一个 IO 请求（比如 write ）对应一个线程来处理，但是线程数多了，性能反倒会差。
  • 另外一种方案是： IO 多路复用

接下来，我们就来看看 IO 多路复用：

我不用任何其他系统调用，能否实现 IO 多路复用？

可以的，写个 for 循环，每次都尝试 IO 一下，读/写到了就处理，读/写不到就 sleep 下。

while(true) 
{
    foreach fd数组 
    {
        read/write(fd, /* 参数 */)
    }

    sleep(1s)
}
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默认情况下，我们没有加任何参数 create 出的 fd 是阻塞类型的。我们读数据的时候，如果数据还没准备好，是会需要等待的，当我们写数据的时候，如果还没准备好，默认也会卡住等待。所以，在上面伪代码中的 read/write 是可能被直接卡死，而导致整个线程都得到不到运行。只需要把 fd 都设置成非阻塞模式。这样 read/write 的时候，如果数据没准备好，返回 EAGIN 的错误即可，不会卡住线程，从而整个系统就运转起来了。

这个实现只是为了帮助我们理解 IO 多路复用，实际上，上面的实现在性能上有很大的缺陷。for 循环每次要定期 sleep 1s，这个会导致吞吐能力极差，因为很可能在刚好要 sleep 的时候，所有的 fd 都准备好 IO 数据，而这个时候却要硬生生的等待 1s。

IO 多路复用就是 1 个线程处理 多个 fd 的模式。我们的要求是：这个 “1” 就要尽可能的快，避免一切无效工作，要把所有的时间都用在处理句柄的 IO 上，不能有任何空转，sleep 的时间浪费。

为了实现上诉的功能，内核提供了 3 种系统调用 select，poll，epoll。

这 3 种系统调用都能够管理 fd 的可读可写事件，在所有 fd 不可读不可写无所事事的时候，可以阻塞线程，切走 cpu 。fd 可读写的时候，对应线程会被唤醒。

三者的差异主要是在性能上，epoll 的性能是强于 select 和 poll 的，我们接下来就来看看 epoll 的具体使用。

# epoll 的使用

使用 epoll 需要以下三个系统调用：

//头文件
#include <sys/epoll.h>

int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
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  • epollcreate 负责创建一个池子，一个监控和管理句柄 fd 的池子；
  • epollctl 负责管理这个池子里的 fd 增、删、改；
  • epollwait 就是负责打盹的，让出 CPU 调度，但是只要有“事”，立马会从这里唤醒；

接下来我们看个示例程序：

使用 epoll_create 创建一个管理 fd 的池子

epollfd = epoll_create(1024);
if (epollfd == -1) {
    perror("epoll_create");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
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这个池子对我们来说是黑盒，这个黑盒是用来装 fd 的，我们暂不纠结其中细节。我们拿到了一个 epollfd ，这个 epollfd 就能唯一代表这个 epoll 池。

然后，我们就要往这个 epoll 池里放 fd 了，这就要用到 epoll_ctl 了

if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev) == -1) {
    perror("epoll_ctl: listen_sock");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
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我们就把 fd 放到这个池子里了，EPOLL_CTL_ADD 表明操作是增加 fd，最后一个参数是 epoll_event 结构体：

struct epoll_event {
  __uint32_t events;  /* Epoll 事件 */
  epoll_data_t data;  /* 用户数据 */
};
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epoll_event 的第一个成员 events 用于指定我们监听的 fd 事件类型，常见的值有：

  • EPOLLIN：可读事件
  • EPOLLOUT：可写事件

多个值可以通过或操作同时生效：

epoll_event event;
// 同时监听可读可写事件
event.events = EPOLLIN | EPOLLOUT;
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最后，我们需要调用 epoll_wait 进入休眠状态，可读或可写事件到来时，醒休眠中的程序从 epoll_wait 处被唤醒。

其使用方法，通常如下：

while (true)
{   
    // epollfd 是 epoll_create 的返回值
    // events 是一个 epoll_event 的数组，用于存储收到的多个事件
    // EPOLL_SIZE 用于设定最多监听多少个事件
    // 最后一个参数 -1 用于指定阻塞时间上限，-1：表示调用将一直阻塞
    int count = epoll_wait(epollfd, events, EPOLL_SIZE, -1);
    if (count < 0)
    {
        perror("epoll failed");
        break;
    }
    for (int i=0;i < count;i++)
    {
        //处理可读或可写事件
    }
}
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# 参考资料

# 关于

我叫阿豪，2015 年本科毕业于国防科学技术大学指挥信息系统专业，毕业后从事信息化装备的研发工作，主要研究方向是 Android Framework 与 Linux Kernel。

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