從linux源碼看epoll

前言

在linux的高性能網絡編程中，繞不開的就是epoll。和select、poll等系統調用相比,epoll在需要監視大量文件描述符并且其中只有少數活躍的時候，表現出無可比擬的優勢。epoll能讓內核記住所關注的描述符，并在對應的描述符事件就緒的時候,在epoll的就緒鏈表中添加這些就緒元素，并喚醒對應的epoll等待進程。 本文就是筆者在探究epoll源碼過程中，對kernel將就緒描述符添加到epoll并喚醒對應進程的一次源碼分析(基于linux-2.6.32內核版本)。由于篇幅所限，筆者聚焦于tcp協議下socket可讀事件的源碼分析。

簡單的epoll例子

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下面的例子，是從筆者本人用c語言寫的dbproxy中的一段代碼。由于細節過多，所以做了一些刪減。

int init_reactor(int listen_fd,int worker_count){......// 創建多個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 */}}}...... }

上述代碼事實上就是實現了一個reactor模式中的accept與read/write處理線程，如下圖所示:

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附上一份大綱學習圖

epoll_create

Unix的萬物皆文件的思想在epoll里面也有體現，epoll_create調用返回一個文件描述符，此描述符掛載在anon_inode_fs(匿名inode文件系統)的根目錄下面。讓我們看下具體的epoll_create系統調用源碼:

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，然后就直接就調用了sys_epoll_create1。由于linux的系統調用是通過(SYSCALL_DEFINE1,SYSCALL_DEFINE2......SYSCALL_DEFINE6)定義的，那么sys_epoll_create1對應的源碼即是SYSCALL_DEFINE(epoll_create1)。 (注:受限于寄存器數量的限制，(80x86下的)kernel限制系統調用最多有6個參數。據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，即描述符數組的槽位fd = get_unused_fd_flags(O_RDWR | (flags & O_CLOEXEC));// 在匿名inode文件系統中分配一個inode,并得到其file結構體// 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填入到對應的文件描述符數組的槽里面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:

struct eventpoll

所有的epoll系統調用都是圍繞eventpoll結構體做操作,現簡要描述下其中的成員:

/** 此結構體存儲在file->private_data中*/ struct eventpoll {// 自旋鎖，在kernel內部用自旋鎖加鎖，就可以同時多線(進)程對此結構體進行操作// 主要是保護ready_listspinlock_t lock;// 這個互斥鎖是為了保證在eventloop使用對應的文件描述符的時候，文件描述符不會被移除掉struct mutex mtx;// epoll_wait使用的等待隊列，和進程喚醒有關wait_queue_head_t wq;// file->poll使用的等待隊列，和進程喚醒有關wait_queue_head_t poll_wait;// 就緒的描述符隊列struct list_head rdllist;// 通過紅黑樹來組織當前epoll關注的文件描述符struct rb_root rbr;// 在向用戶空間傳輸就緒事件的時候，將同時發生事件的文件描述符鏈入到這個鏈表里面struct epitem *ovflist;// 對應的userstruct user_struct *user;// 對應的文件描述符struct file *file;// 下面兩個是用于環路檢測的優化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并喚醒對應進程上，因此在這里主要聚焦于(wait_queue_head_t wq)等成員。

epoll_ctl(add)

我們看下epoll_ctl(EPOLL_CTL_ADD)是如何將對應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調用可以在多個KSE(內核調度實體,即進程/線程)中并發執行。

SYSCALL_DEFINE4(epoll_ctl, int, epfd, int, op, int, fd,struct epoll_event __user *, event) {/* 校驗epfd是否是epoll的描述符 */// 此處的互斥鎖是為了防止并發調用epoll_ctl,即保護內部數據結構// 不會被并發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：

ep_insert

在ep_insert中初始化了epitem，然后初始化了本文關注的焦點,即事件就緒時候的回調函數，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_procinit_poll_funcptr(&epq.pt, ep_ptable_queue_proc);// 在這里將回調函數注入revents = tfile->f_op->poll(tfile, &epq.pt);// 如果當前有事件已經就緒，那么一開始就會被加入到ready list// 例如可寫事件// 另外，在tcp內部ack之后調用tcp_check_space,最終調用sock_def_write_space來喚醒對應的epoll_wait下的進程if ((revents & event->events) && !ep_is_linked(&epi->rdllink)) {list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist);// wake_up ep對應在epoll_wait下的進程if (waitqueue_active(&ep->wq)){wake_up_locked(&ep->wq);}......} // 將epitem插入紅黑樹ep_rbtree_insert(ep, epi);...... }

tfile->f_op->poll的實現

向kernel更底層注冊回調函數的是tfile->f_op->poll(tfile, &epq.pt)這一句，我們來看一下對于對應的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調用而來，那么我們看下accept調用鏈的關鍵路徑:

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的結構如下圖所示:

既然知道了tfile->f_op->poll的實現，我們就可以看下此poll是如何將安裝回調函數的。

回調函數的安裝

kernel的調用路徑如下:

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，我們的回調函數的安裝其實就是調用了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) {// 取出當前client_fd對應的epitemstruct epitem *epi = ep_item_from_epqueue(pt);// &pwq->wait->func=ep_poll_callback，用于回調喚醒// 注意，這邊不是init_waitqueue_entry,即沒有將當前KSE(current,當前進程/線程)寫入到// wait_queue當中，因為不一定是從當前安裝的KSE喚醒，而應該是喚醒epoll_wait的KSEinit_waitqueue_func_entry(&pwq->wait, ep_poll_callback);// 這邊的whead是sk->sk_sleep,將當前的waitqueue鏈入到socket對應的sleep列表add_wait_queue(whead, &pwq->wait); }

這樣client_fd的結構進一步完善，如下圖所示:

ep_poll_callback函數是喚醒對應epoll_wait的地方，我們將在后面一起講述。

epoll_wait

epoll_wait主要是調用了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創建的fd */// 調用ep_pollerror = ep_poll(ep, events, maxevents, timeout);... }

緊接著，我們看下ep_poll函數:

static int ep_poll(struct eventpoll *ep, struct epoll_event __user *events,int maxevents, long timeout) {...... retry:// 獲取spinlockspin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);// 將當前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 (;;) {// 設置當前進程狀態為可打斷set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);// 檢查當前線程是否有信號要處理，有則返回-EINTRif (signal_pending(current)) {res = -EINTR;break;}spin_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags);// schedule調度，讓出CPUjtimeout = schedule_timeout(jtimeout);spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);}// 到這里，表明超時或者有事件觸發等動作導致進程重新調度__remove_wait_queue(&ep->wq, &wait);// 設置進程狀態為runningset_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:

ep_send_events

ep_send_events函數主要就是調用了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txlistlist_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只是表明當前epi有事件，具體的事件信息還是得調用對應file的poll// 這邊的poll即是tcp_poll,根據tcp本身的信息設置掩碼(mask)等信息 & 上興趣事件掩碼，則可以得知當前事件是否是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，則將當前的epi重新加回到可用列表中，這樣就可以下一次繼續觸發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，那么就不加回可用列表，因此只能等到下一個可用事件觸發的時候才會將對應的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:

事件到來添加到epoll就緒隊列(rdllist)的過程

經過上述章節的詳述之后，我們終于可以闡述，tcp在數據到來時是怎么加入到epoll的就緒隊列的了。

可讀事件到來

首先我們看下tcp數據包從網卡驅動到kernel內部tcp協議處理調用鏈:

step1:

網絡分組到來的內核路徑，網卡發起中斷后調用netif_rx將事件掛入CPU的等待隊列，并喚起軟中斷(soft_irq)，再通過linux的軟中斷機制調用net_rx_action，如下圖所示:

注:上圖來自PLKA(<<深入Linux內核架構>>)

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/* 這里已經被ep_insert添加為ep_poll_callback,而且設定了排它標識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:

static int ep_poll_callback(wait_queue_t *wait, unsigned mode, int sync, void *key) {// 獲取wait對應的epitem struct epitem *epi = ep_item_from_wait(wait);// epitem對應的eventpoll結構體struct eventpoll *ep = epi->ep;// 獲取自旋鎖，保護ready_list等結構spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);// 如果當前epi沒有被鏈入ep的ready list,則鏈入// 這樣，就把當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epoll_wait進程// 對應的&ep->wq是在epoll_wait調用的時候通過init_waitqueue_entry(&wait, current)而生成的// 其中的current即是對應調用epoll_wait的進程信息task_structif (waitqueue_active(&ep->wq))wake_up_locked(&ep->wq); }

上述過程如下圖所示:

最后wake_up_locked調用__wake_up_common,然后調用了在init_waitqueue_entry注冊的default_wake_function,調用路徑為:

wake_up_locked|->__wake_up_common|->default_wake_function|->try_wake_up (wake up a thread)|->activate_task|->enqueue_task running

將epoll_wait進程推入可運行隊列，等待內核重新調度進程,然后epoll_wait對應的這個進程重新運行后，就從schedule恢復，繼續下面的ep_send_events(向用戶空間拷貝事件并返回)。 wake_up過程如下圖所示:

可寫事件到來

可寫事件的運行過程和可讀事件大同小異: 首先，在epoll_ctl_add的時候預先會調用一次對應文件描述符的poll，如果返回事件里有可寫掩碼的時候直接調用wake_up_locked以喚醒對應的epoll_wait進程。 然后，在tcp在底層驅動有數據到來的時候可能攜帶了ack從而可以釋放部分已經被對端接收的數據，于是觸發可寫事件，這一部分的調用鏈為:

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*/

最后在此函數里面sk_stream_write_space喚醒對應的epoll_wait進程

void sk_stream_write_space(struct sock *sk) {// 即有1/3可寫空間的時候才觸發可寫事件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)......} }

關閉描述符(close fd)

值得注意的是，我們在close對應的文件描述符的時候，會自動調用eventpoll_release將對應的file從其關聯的epoll_fd中刪除，kernel關鍵路徑如下:

close fd|->filp_close|->fput|->__fput|->eventpoll_release|->ep_remove

所以我們在關閉對應的文件描述符后，并不需要通過epoll_ctl_del來刪掉對應epoll中相應的描述符。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的linux源码_从linux源码看epoll及epoll实战揭秘的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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