解析Linux源碼之epoll
一、前言
在linux的高性能網(wǎng)絡(luò)編程中,繞不開的就是epoll。和select、poll等系統(tǒng)調(diào)用相比,epoll在需要監(jiān)視大量文件描述符并且其中只有少數(shù)活躍的時(shí)候,表現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)勢。epoll能讓內(nèi)核記住所關(guān)注的描述符,并在對應(yīng)的描述符事件就緒的時(shí)候,在epoll的就緒鏈表中添加這些就緒元素,并喚醒對應(yīng)的epoll等待進(jìn)程。
二、簡單的epoll例子
下面的例子,是從筆者本人用c語言寫的dbproxy中的一段代碼。由于細(xì)節(jié)過多,所以做了一些刪減。
int init_reactor(int listen_fd,int worker_count){ ...... // 創(chuàng)建多個(gè)epoll fd,以充分利用多核 for(i=0;i<worker_count;i++){ reactor->worker_fd = epoll_create(EPOLL_MAX_EVENTS); } /* epoll add listen_fd and accept */ // 將accept后的事件加入到對應(yīng)的epoll fd中 int client_fd = accept(listen_fd,(struct sockaddr *)&client_addr,&client_len))); // 將連接描述符注冊到對應(yīng)的worker里面 epoll_ctl(reactor->client_fd,EPOLL_CTL_ADD,epifd,&event); } // reactor的worker線程 static void* rw_thread_func(void* arg){ ...... for(;;){ // epoll_wait等待事件觸發(fā) int retval = epoll_wait(epfd,events,EPOLL_MAX_EVENTS,500); if(retval > 0){ for(j=0; j < retval; j++){ // 處理讀事件 if(event & EPOLLIN){ handle_ready_read_connection(conn); continue; } /* 處理其它事件 */ } } } ...... }
上述代碼事實(shí)上就是實(shí)現(xiàn)了一個(gè)reactor模式中的accept與read/write處理線程,如下圖所示:
2.1、epoll_create
Unix的萬物皆文件的思想在epoll里面也有體現(xiàn),epoll_create調(diào)用返回一個(gè)文件描述符,此描述符掛載在anon_inode_fs(匿名inode文件系統(tǒng))的根目錄下面。讓我們看下具體的epoll_create系統(tǒng)調(diào)用源碼:
SYSCALL_DEFINE1(epoll_create, int, size) { if (size <= 0) return -EINVAL; return sys_epoll_create1(0); }
由上述源碼可見,epoll_create的參數(shù)是基本沒有意義的,kernel簡單的判斷是否為0,然后就直接就調(diào)用了sys_epoll_create1。由于linux的系統(tǒng)調(diào)用是通過(SYSCALL_DEFINE1,SYSCALL_DEFINE2......SYSCALL_DEFINE6)定義的,那么sys_epoll_create1對應(yīng)的源碼即是SYSCALL_DEFINE(epoll_create1)。
(注:受限于寄存器數(shù)量的限制,(80x86下的)kernel限制系統(tǒng)調(diào)用最多有6個(gè)參數(shù)。據(jù)ulk3所述,這是由于32位80x86寄存器的限制)
接下來,我們就看下epoll_create1的源碼:
SYSCALL_DEFINE1(epoll_create1, int, flags) { // kzalloc(sizeof(*ep), GFP_KERNEL),用的是內(nèi)核空間 error = ep_alloc(&ep); // 獲取尚未被使用的文件描述符,即描述符數(shù)組的槽位 fd = get_unused_fd_flags(O_RDWR | (flags & O_CLOEXEC)); // 在匿名inode文件系統(tǒng)中分配一個(gè)inode,并得到其file結(jié)構(gòu)體 // 且file->f_op = &eventpoll_fops // 且file->private_data = ep; file = anon_inode_getfile("[eventpoll]", &eventpoll_fops, ep, O_RDWR | (flags & O_CLOEXEC)); // 將file填入到對應(yīng)的文件描述符數(shù)組的槽里面 fd_install(fd,file); ep->file = file; return fd; }
最后epoll_create生成的文件描述符如下圖所示:
2.2、struct eventpoll
所有的epoll系統(tǒng)調(diào)用都是圍繞eventpoll結(jié)構(gòu)體做操作,現(xiàn)簡要描述下其中的成員:
/* * 此結(jié)構(gòu)體存儲在file->private_data中 */ struct eventpoll { // 自旋鎖,在kernel內(nèi)部用自旋鎖加鎖,就可以同時(shí)多線(進(jìn))程對此結(jié)構(gòu)體進(jìn)行操作 // 主要是保護(hù)ready_list spinlock_t lock; // 這個(gè)互斥鎖是為了保證在eventloop使用對應(yīng)的文件描述符的時(shí)候,文件描述符不會被移除掉 struct mutex mtx; // epoll_wait使用的等待隊(duì)列,和進(jìn)程喚醒有關(guān) wait_queue_head_t wq; // file->poll使用的等待隊(duì)列,和進(jìn)程喚醒有關(guān) wait_queue_head_t poll_wait; // 就緒的描述符隊(duì)列 struct list_head rdllist; // 通過紅黑樹來組織當(dāng)前epoll關(guān)注的文件描述符 struct rb_root rbr; // 在向用戶空間傳輸就緒事件的時(shí)候,將同時(shí)發(fā)生事件的文件描述符鏈入到這個(gè)鏈表里面 struct epitem *ovflist; // 對應(yīng)的user struct user_struct *user; // 對應(yīng)的文件描述符 struct file *file; // 下面兩個(gè)是用于環(huán)路檢測的優(yōu)化 int visited; struct list_head visited_list_link; };
本文講述的是kernel是如何將就緒事件傳遞給epoll并喚醒對應(yīng)進(jìn)程上,因此在這里主要聚焦于(wait_queue_head_t wq)等成員。
2.3、epoll_ctl(add)
我們看下epoll_ctl(EPOLL_CTL_ADD)是如何將對應(yīng)的文件描述符插入到eventpoll中的。
借助于spin_lock(自旋鎖)和mutex(互斥鎖),epoll_ctl調(diào)用可以在多個(gè)KSE(內(nèi)核調(diào)度實(shí)體,即進(jìn)程/線程)中并發(fā)執(zhí)行。
SYSCALL_DEFINE4(epoll_ctl, int, epfd, int, op, int, fd, struct epoll_event __user *, event) { /* 校驗(yàn)epfd是否是epoll的描述符 */ // 此處的互斥鎖是為了防止并發(fā)調(diào)用epoll_ctl,即保護(hù)內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) // 不會被并發(fā)的添加修改刪除破壞 mutex_lock_nested(&ep->mtx, 0); switch (op) { case EPOLL_CTL_ADD: ... // 插入到紅黑樹中 error = ep_insert(ep, &epds, tfile, fd); ... break; ...... } mutex_unlock(&ep->mtx); }
上述過程如下圖所示:
2.4、ep_insert
在ep_insert中初始化了epitem,然后初始化了本文關(guān)注的焦點(diǎn),即事件就緒時(shí)候的回調(diào)函數(shù),代碼如下所示:
static int ep_insert(struct eventpoll *ep, struct epoll_event *event, struct file *tfile, int fd) { /* 初始化epitem */ // &epq.pt->qproc = ep_ptable_queue_proc init_poll_funcptr(&epq.pt, ep_ptable_queue_proc); // 在這里將回調(diào)函數(shù)注入 revents = tfile->f_op->poll(tfile, &epq.pt); // 如果當(dāng)前有事件已經(jīng)就緒,那么一開始就會被加入到ready list // 例如可寫事件 // 另外,在tcp內(nèi)部ack之后調(diào)用tcp_check_space,最終調(diào)用sock_def_write_space來喚醒對應(yīng)的epoll_wait下的進(jìn)程 if ((revents & event->events) && !ep_is_linked(&epi->rdllink)) { list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist); // wake_up ep對應(yīng)在epoll_wait下的進(jìn)程 if (waitqueue_active(&ep->wq)){ wake_up_locked(&ep->wq); } ...... } // 將epitem插入紅黑樹 ep_rbtree_insert(ep, epi); ...... }
2.5、tfile->f_op->poll的實(shí)現(xiàn)
向kernel更底層注冊回調(diào)函數(shù)的是tfile->f_op->poll(tfile, &epq.pt)這一句,我們來看一下對于對應(yīng)的socket文件描述符,其fd=>file->f_op->poll的初始化過程:
// 將accept后的事件加入到對應(yīng)的epoll fd中 int client_fd = accept(listen_fd,(struct sockaddr *)&client_addr,&client_len))); // 將連接描述符注冊到對應(yīng)的worker里面 epoll_ctl(reactor->client_fd,EPOLL_CTL_ADD,epifd,&event);
回顧一下上述user space代碼,fd即client_fd是由tcp的listen_fd通過accept調(diào)用而來,那么我們看下accept調(diào)用鏈的關(guān)鍵路徑:
accept
|->accept4
|->sock_attach_fd(newsock, newfile, flags & O_NONBLOCK);
|->init_file(file,...,&socket_file_ops);
|->file->f_op = fop;
/* file->f_op = &socket_file_ops */
|->fd_install(newfd, newfile); // 安裝fd
那么,由accept獲得的client_fd的結(jié)構(gòu)如下圖所示:
(注:由于是tcp socket,所以這邊sock->ops=inet_stream_ops,既然知道了tfile->f_op->poll的實(shí)現(xiàn),我們就可以看下此poll是如何將安裝回調(diào)函數(shù)的。
2.6、回調(diào)函數(shù)的安裝
kernel的調(diào)用路徑如下:
sock_poll /*tfile->f_op->poll(tfile, &epq.pt)*/;
|->sock->ops->poll
|->tcp_poll
/* 這邊重要的是拿到了sk_sleep用于KSE(進(jìn)程/線程)的喚醒 */
|->sock_poll_wait(file, sk->sk_sleep, wait);
|->poll_wait
|->p->qproc(filp, wait_address, p);
/* p為&epq.pt,而且&epq.pt->qproc= ep_ptable_queue_proc*/
|-> ep_ptable_queue_proc(filp,wait_address,p);
繞了一大圈之后,我們的回調(diào)函數(shù)的安裝其實(shí)就是調(diào)用了eventpoll.c中的ep_ptable_queue_proc,而且向其中傳遞了sk->sk_sleep作為其waitqueue的head,其源碼如下所示:
static void ep_ptable_queue_proc(struct file *file, wait_queue_head_t *whead, poll_table *pt) { // 取出當(dāng)前client_fd對應(yīng)的epitem struct epitem *epi = ep_item_from_epqueue(pt); // &pwq->wait->func=ep_poll_callback,用于回調(diào)喚醒 // 注意,這邊不是init_waitqueue_entry,即沒有將當(dāng)前KSE(current,當(dāng)前進(jìn)程/線程)寫入到 // wait_queue當(dāng)中,因?yàn)椴灰欢ㄊ菑漠?dāng)前安裝的KSE喚醒,而應(yīng)該是喚醒epoll\_wait的KSE init_waitqueue_func_entry(&pwq->wait, ep_poll_callback); // 這邊的whead是sk->sk_sleep,將當(dāng)前的waitqueue鏈入到socket對應(yīng)的sleep列表 add_wait_queue(whead, &pwq->wait); }
這樣client_fd的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善,如下圖所示:
ep_poll_callback函數(shù)是喚醒對應(yīng)epoll_wait的地方,我們將在后面一起講述。
2.7、epoll_wait
epoll_wait主要是調(diào)用了ep_poll:
SYSCALL_DEFINE4(epoll_wait, int, epfd, struct epoll_event __user *, events, int, maxevents, int, timeout) { /* 檢查epfd是否是epoll\_create創(chuàng)建的fd */ // 調(diào)用ep_poll error = ep_poll(ep, events, maxevents, timeout); ... }
緊接著,我們看下ep_poll函數(shù):
static int ep_poll(struct eventpoll *ep, struct epoll_event __user *events, int maxevents, long timeout) { ...... retry: // 獲取spinlock spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags); // 將當(dāng)前task_struct寫入到waitqueue中以便喚醒 // wq_entry->func = default_wake_function; init_waitqueue_entry(&wait, current); // WQ_FLAG_EXCLUSIVE,排他性喚醒,配合SO_REUSEPORT從而解決accept驚群問題 wait.flags |= WQ_FLAG_EXCLUSIVE; // 鏈入到ep的waitqueue中 __add_wait_queue(&ep->wq, &wait); for (;;) { // 設(shè)置當(dāng)前進(jìn)程狀態(tài)為可打斷 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); // 檢查當(dāng)前線程是否有信號要處理,有則返回-EINTR if (signal_pending(current)) { res = -EINTR; break; } spin_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags); // schedule調(diào)度,讓出CPU jtimeout = schedule_timeout(jtimeout); spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags); } // 到這里,表明超時(shí)或者有事件觸發(fā)等動作導(dǎo)致進(jìn)程重新調(diào)度 __remove_wait_queue(&ep->wq, &wait); // 設(shè)置進(jìn)程狀態(tài)為running set_current_state(TASK_RUNNING); ...... // 檢查是否有可用事件 eavail = !list_empty(&ep->rdllist) || ep->ovflist != EP_UNACTIVE_PTR; ...... // 向用戶空間拷貝就緒事件 ep_send_events(ep, events, maxevents) }
上述邏輯如下圖所示:
2.8、ep_send_events
ep_send_events函數(shù)主要就是調(diào)用了ep_scan_ready_list,顧名思義ep_scan_ready_list就是掃描就緒列表:
static int ep_scan_ready_list(struct eventpoll *ep, int (*sproc)(struct eventpoll *, struct list_head *, void *), void *priv, int depth) { ... // 將epfd的rdllist鏈入到txlist list_splice_init(&ep->rdllist, &txlist); ... /* sproc = ep_send_events_proc */ error = (*sproc)(ep, &txlist, priv); ... // 處理ovflist,即在上面sproc過程中又到來的事件 ... }
其主要調(diào)用了ep_send_events_proc:
static int ep_send_events_proc(struct eventpoll *ep, struct list_head *head, void *priv) { for (eventcnt = 0, uevent = esed->events; !list_empty(head) && eventcnt < esed->maxevents;) { // 遍歷ready list epi = list_first_entry(head, struct epitem, rdllink); list_del_init(&epi->rdllink); // readylist只是表明當(dāng)前epi有事件,具體的事件信息還是得調(diào)用對應(yīng)file的poll // 這邊的poll即是tcp_poll,根據(jù)tcp本身的信息設(shè)置掩碼(mask)等信息 & 上興趣事件掩碼,則可以得知當(dāng)前事件是否是epoll_wait感興趣的事件 revents = epi->ffd.file->f_op->poll(epi->ffd.file, NULL) & epi->event.events; if(revents){ /* 將event放入到用戶空間 */ /* 處理ONESHOT邏輯 */ // 如果不是邊緣觸發(fā),則將當(dāng)前的epi重新加回到可用列表中,這樣就可以下一次繼續(xù)觸發(fā)poll,如果下一次poll的revents不為0,那么用戶空間依舊能感知 */ else if (!(epi->event.events & EPOLLET)){ list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist); } /* 如果是邊緣觸發(fā),那么就不加回可用列表,因此只能等到下一個(gè)可用事件觸發(fā)的時(shí)候才會將對應(yīng)的epi放到可用列表里面*/ eventcnt++ } /* 如poll出來的revents事件epoll_wait不感興趣(或者本來就沒有事件),那么也不會加回到可用列表 */ ...... } return eventcnt; }
上述代碼邏輯如下所示:
三、事件到來添加到epoll就緒隊(duì)列(rdllist)的過程
經(jīng)過上述章節(jié)的詳述之后,我們終于可以闡述,tcp在數(shù)據(jù)到來時(shí)是怎么加入到epoll的就緒隊(duì)列的了。
3.1、可讀事件到來
首先我們看下tcp數(shù)據(jù)包從網(wǎng)卡驅(qū)動到kernel內(nèi)部tcp協(xié)議處理調(diào)用鏈:
step1:
網(wǎng)絡(luò)分組到來的內(nèi)核路徑,網(wǎng)卡發(fā)起中斷后調(diào)用netif_rx將事件掛入CPU的等待隊(duì)列,并喚起軟中斷(soft_irq),再通過linux的軟中斷機(jī)制調(diào)用net_rx_action,如下圖所示:
注:上圖來自PLKA(<<深入Linux內(nèi)核架構(gòu)>>)
step2:
緊接著跟蹤next_rx_action
next_rx_action
|-process_backlog
......
|->packet_type->func 在這里我們考慮ip_rcv
|->ipprot->handler 在這里ipprot重載為tcp_protocol
(handler 即為tcp_v4_rcv)
我們再看下對應(yīng)的tcp_v4_rcv
tcp_v4_rcv
|->tcp_v4_do_rcv
|->tcp_rcv_state_process
|->tcp_data_queue
|-> sk->sk_data_ready(sock_def_readable)
|->wake_up_interruptible_sync_poll(sk->sleep,...)
|->__wake_up
|->__wake_up_common
|->curr->func
/* 這里已經(jīng)被ep_insert添加為ep_poll_callback,而且設(shè)定了排它標(biāo)識WQ_FLAG_EXCLUSIVE*/
|->ep_poll_callback
這樣,我們就看下最終喚醒epoll_wait的ep_poll_callback函數(shù):
static int ep_poll_callback(wait_queue_t *wait, unsigned mode, int sync, void *key) { // 獲取wait對應(yīng)的epitem struct epitem *epi = ep_item_from_wait(wait); // epitem對應(yīng)的eventpoll結(jié)構(gòu)體 struct eventpoll *ep = epi->ep; // 獲取自旋鎖,保護(hù)ready_list等結(jié)構(gòu) spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags); // 如果當(dāng)前epi沒有被鏈入ep的ready list,則鏈入 // 這樣,就把當(dāng)前的可用事件加入到epoll的可用列表了 if (!ep_is_linked(&epi->rdllink)) list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist); // 如果有epoll_wait在等待的話,則喚醒這個(gè)epoll_wait進(jìn)程 // 對應(yīng)的&ep->wq是在epoll_wait調(diào)用的時(shí)候通過init_waitqueue_entry(&wait, current)而生成的 // 其中的current即是對應(yīng)調(diào)用epoll_wait的進(jìn)程信息task_struct if (waitqueue_active(&ep->wq)) wake_up_locked(&ep->wq); }
上述過程如下圖所示:
最后wake_up_locked調(diào)用__wake_up_common,然后調(diào)用了在init_waitqueue_entry注冊的default_wake_function,調(diào)用路徑為:
wake_up_locked
|->__wake_up_common
|->default_wake_function
|->try_wake_up (wake up a thread)
|->activate_task
|->enqueue_task running
將epoll_wait進(jìn)程推入可運(yùn)行隊(duì)列,等待內(nèi)核重新調(diào)度進(jìn)程,然后epoll_wait對應(yīng)的這個(gè)進(jìn)程重新運(yùn)行后,就從schedule恢復(fù),繼續(xù)下面的ep_send_events(向用戶空間拷貝事件并返回)。
wake_up過程如下圖所示:
3.2、可寫事件到來
可寫事件的運(yùn)行過程和可讀事件大同小異:
首先,在epoll_ctl_add的時(shí)候預(yù)先會調(diào)用一次對應(yīng)文件描述符的poll,如果返回事件里有可寫掩碼的時(shí)候直接調(diào)用wake_up_locked以喚醒對應(yīng)的epoll_wait進(jìn)程。
然后,在tcp在底層驅(qū)動有數(shù)據(jù)到來的時(shí)候可能攜帶了ack從而可以釋放部分已經(jīng)被對端接收的數(shù)據(jù),于是觸發(fā)可寫事件,這一部分的調(diào)用鏈為:
tcp_input.c
tcp_v4_rcv
|-tcp_v4_do_rcv
|-tcp_rcv_state_process
|-tcp_data_snd_check
|->tcp_check_space
|->tcp_new_space
|->sk->sk_write_space
/* tcp下即是sk_stream_write_space*/
最后在此函數(shù)里面sk_stream_write_space喚醒對應(yīng)的epoll_wait進(jìn)程
void sk_stream_write_space(struct sock *sk) { // 即有1/3可寫空間的時(shí)候才觸發(fā)可寫事件 if (sk_stream_wspace(sk) >= sk_stream_min_wspace(sk) && sock) { clear_bit(SOCK_NOSPACE, &sock->flags); if (sk->sk_sleep && waitqueue_active(sk->sk_sleep)) wake_up_interruptible_poll(sk->sk_sleep, POLLOUT | POLLWRNORM | POLLWRBAND) ...... } }
四、關(guān)閉描述符(close fd)
值得注意的是,我們在close對應(yīng)的文件描述符的時(shí)候,會自動調(diào)用eventpoll_release將對應(yīng)的file從其關(guān)聯(lián)的epoll_fd中刪除,kernel關(guān)鍵路徑如下:
close fd
|->filp_close
|->fput
|->__fput
|->eventpoll_release
|->ep_remove
所以我們在關(guān)閉對應(yīng)的文件描述符后,并不需要通過epoll_ctl_del來刪掉對應(yīng)epoll中相應(yīng)的描述符。
五、總結(jié)
epoll作為linux下非常優(yōu)秀的事件觸發(fā)機(jī)制得到了廣泛的運(yùn)用。其源碼還是比較復(fù)雜的,本文只是闡述了epoll讀寫事件的觸發(fā)機(jī)制。
以上就是解析Linux源碼之epoll的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于Linux源碼 epoll的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!
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