io多路复用：epoll水平触发（LT）和边沿触发（ET）的区别和优缺点

news/2024/9/25 18:37:28/

在进行ET模式的正式分析之前，我们来举个例子简单地了解下ET和LT:

假设我们通过fork函数创建了父子两个进程，并通过匿名管道来通信，在子进程中，我们一次向管道写入10个字符数据，为"aaaa\nbbbb\n";每隔5s写入10个字符数据；在父进程中，我们从管道中一次读取5个字符数据：

若我们采用的是LT模式，则在5s的周期内，会先读取5个字符数据，读完之后，因为文件描述符中仍然有数据，epoll_wait会立即返回，会继续读取接下来的5个数据，之后在5s周期以内的剩余时间内，管道中的数据都为空，如下图1。

若我们采用的是ET模式，则当父进程先读完管道中的5个字符后，由于子进程没有立即向管道中写入字符(间隔5s后才会第二次写入)，所以此时父进程会先读到5个字符"aaaa\n"，隔5s之后，再读到5个字符"bbbb\n"，如下图2，可以看到ET模式下，随时间推移，管道中数据会越来越多。

图1

图2

epoll工作流程

想要了解ET模式和LT模式的区别，首先需要熟悉epoll的工作流程：

【注：】上图的poll不要理解成和select相似那个poll，这是通过epoll_ctl调用的，进行回调函数注册。

下面简要分析一下epoll的工作过程：

1）epoll_wait调用ep_poll，当rdlist为空（无就绪fd）时挂起当前进程，直到rdlist不空时进程才被唤醒。

2）****文件fd状态改变（buffer由不可读变为可读或由不可写变为可写），导致相应fd上的回调函数ep_poll_callback()被调用。

ep_poll_callback将相应fd对应epitem加入rdlist，导致rdlist不空，进程被唤醒，epoll_wait得以继续执行。

3）ep_events_transfer函数将rdlist中的epitem拷贝到txlist中，并将rdlist清空。

4）ep_send_events函数（很关键），它扫描txlist中的每个epitem，调用其关联fd对应的poll方法（图中蓝线）。此时对poll的调用仅仅是取得fd上较新的events（防止之前events被更新），之后将取得的events和相应的fd发送到用户空间（封装在struct epoll_event，从epoll_wait返回）。

5）之后如果这个epitem对应的fd是LT模式监听且取得的events是用户所关心的，则将其重新加入回rdlist（图中蓝线），否则（ET模式）不在加入rdlist。

ET模式 vs LT模式

区别

通过上图epoll的工作流程描述，可以看出ET模式和LT模式的区别主要发生在第5步：是否将文件描述符fd放回rdlist中，而rdlist的是否为空决定了epoll_wait函数的阻塞和非阻塞。因此，总结下二者的区别：

ET

如果是ET, epitem是不会再进入到readly list；除非fd再次发生了状态改变, ep_poll_callback被调用。【因此，ET模式可减少epoll_wait函数的调用，从而减少系统开销，提高效率。】

LT

如果是非ET, 不管你还有没有有效的事件或者数据，都会被重新插入到ready list, 再下一次epoll_wait时, 会立即返回, 并通知给用户空间。当然如果这个被监听的fds确实没事件也没数据了, epoll_wait会返回一个0，空转一次。

加入rdlist途径分析

红线：fd状态改变才会触发，那什么情况会导致fd状态的改变呢？

对于读取操作:

1）当buffer由不可读状态变为可读的时候，即由空变为不空的时候。

2）当有新数据到达时，即buffer中的待读内容变多的时候。

对于写操作:

1）当buffer由不可写变为可写的时候，即由满状态变为不满状态的时候。

2）当有旧数据被发送走时，即buffer中待写的内容变少得时候。

蓝线：fd的events中有相应的时间（位置1）即会触发。那什么情况下会改变events的相应位呢？

对于读操作:

1）buffer中有数据可读的时候，即buffer不空的时候，fd的events的可读为就置1。

对于写操作:

2） buffer中有空间可写的时候，即buffer不满的时候fd的events的可写位就置1。

【说明：】

  • 红线是时间驱动被动触发（fd状态改变）；

  • 蓝线是函数查询主动触发（LT和ET判断是否加入rdlist）。

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代码实践

基础代码

以下为一个epoll触发模式测试的基础代码，也不算太长，直接拿来就可以测试：

#include <sys/socket.h> //for socket
#include <arpa/inet.h>  //for htonl htons
#include <sys/epoll.h>  //for epoll_ctl
#include <unistd.h>     //for close
#include <fcntl.h>      //for fcntl
#include <errno.h>      //for errno
#include <iostream>     //for coutclass fd_object
{
public:fd_object(int fd) { listen_fd = fd; }~fd_object() { close(listen_fd); }
private:int listen_fd;
};/*
./epoll for lt mode
and
./epoll 1 for et mode
*/
int main(int argc, char* argv[])
{//create a socket fdint listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (listen_fd == -1){std::cout << "create listen socket fd error." << std::endl;return -1;}fd_object obj(listen_fd);//set socket to non-blockint socket_flag = fcntl(listen_fd, F_GETFL, 0);socket_flag |= O_NONBLOCK;if (fcntl(listen_fd, F_SETFL, socket_flag) == -1){std::cout << "set listen fd to nonblock error." << std::endl;return -1;}//init server bind infoint port = 51741;struct sockaddr_in bind_addr;bind_addr.sin_family = AF_INET;bind_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);bind_addr.sin_port = htons(port);if (bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&bind_addr, sizeof(bind_addr)) == -1){std::cout << "bind listen socket fd error." << std::endl;return -1;}//start listenif (listen(listen_fd, SOMAXCONN) == -1){std::cout << "listen error." << std::endl;return -1;}elsestd::cout << "start server at port [" << port << "] with [" << (argc <= 1 ? "LT" : "ET") << "] mode." << std::endl;//create a epoll fdint epoll_fd = epoll_create(88);if (epoll_fd == -1){std::cout << "create a epoll fd error." << std::endl;return -1;}epoll_event listen_fd_event;listen_fd_event.data.fd = listen_fd;listen_fd_event.events = EPOLLIN;if (argc > 1) listen_fd_event.events |= EPOLLET;//add epoll event for listen fdif (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &listen_fd_event) == -1){std::cout << "epoll ctl error." << std::endl;return -1;}while (true){epoll_event epoll_events[1024];int n = epoll_wait(epoll_fd, epoll_events, 1024, 1000);if (n < 0)break;else if (n == 0) //timeoutcontinue;for (int i = 0; i < n; ++i){if (epoll_events[i].events & EPOLLIN)//trigger read event{if (epoll_events[i].data.fd == listen_fd){//accept a new connectionstruct sockaddr_in client_addr;socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);int client_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);if (client_fd == -1)continue;socket_flag = fcntl(client_fd, F_GETFL, 0);socket_flag |= O_NONBLOCK;if (fcntl(client_fd, F_SETFL, socket_flag) == -1){close(client_fd);std::cout << "set client fd to non-block error." << std::endl;continue;}epoll_event client_fd_event;client_fd_event.data.fd = client_fd;client_fd_event.events = EPOLLIN | EPOLLOUT;if (argc > 1) client_fd_event.events |= EPOLLET;if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, &client_fd_event) == -1){std::cout << "add client fd to epoll fd error." << std::endl;close(client_fd);continue;}std::cout << "accept a new client fd [" << client_fd << "]." << std::endl;}else{std::cout << "EPOLLIN event triggered for client fd [" << epoll_events[i].data.fd << "]." << std::endl;char recvbuf[1024] = { 0 };int m = recv(epoll_events[i].data.fd, recvbuf, 1, 0); // only read 1 bytes when read event triggeredif (m == 0 || (m < 0 && errno != EWOULDBLOCK && errno != EINTR)){if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, epoll_events[i].data.fd, NULL) != -1)std::cout << "the client fd [" << epoll_events[i].data.fd << "] disconnected." <<  std::endl;close(epoll_events[i].data.fd);}std::cout << "recv data from client fd [" << epoll_events[i].data.fd << "] and data is [" << recvbuf << "]." << std::endl;}}else if (epoll_events[i].events & EPOLLOUT){if (epoll_events[i].data.fd == listen_fd) //trigger write eventcontinue;std::cout << "EPOLLOUT event triggered for client fd [" << epoll_events[i].data.fd << "]." << std::endl;}}}return 0;
}

简单说下这段代码的测试方法，可以使用g++ testepoll.cpp -o epoll进行编译，编译后通过./epoll运行为LT模式，通过./epoll et模式运行为ET模式，我们用编译好的epoll程序作为服务器，使用nc命令来模拟一个客户端。

测试分类

1.编译后直接./epoll，然后在另一个命令行窗口用 nc -v 127.0.0.1 51741 命令模拟一次连接，此时 ./epoll 会产生大量的 EPOLLOUT event triggered for client fd ...，那是因为在LT模式下，EPOLLOUT会被一直触发。

albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testepoll$ ./epoll
start server at port [51741] with [LT] mode.
accept a new client fd [5].
EPOLLOUT event triggered for client fd [5].
EPOLLOUT event triggered for client fd [5].
EPOLLOUT event triggered for client fd [5].
EPOLLOUT event triggered for client fd [5].
EPOLLOUT event triggered for client fd [5].
EPOLLOUT event triggered for client fd [5].
EPOLLOUT event triggered for client fd [5].
EPOLLOUT event triggered for client fd [5].
...

2.注释包含 EPOLLOUT event triggered for client fd 输出内容的第152行代码，编译后 ./epoll运行，然后在另一个命令行窗口用 nc -v 127.0.0.1 51741 模拟一次连接后，输入abcd回车，可以看到服务器./epoll输出内容，EPOLLIN被触发多次，每次读取一个字节。

albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testepoll$ ./epoll
start server at port [51741] with [LT] mode.
accept a new client fd [5].
EPOLLIN event triggered for client fd [5].
recv data from client fd [5] and data is [a].
EPOLLIN event triggered for client fd [5].
recv data from client fd [5] and data is [b].
EPOLLIN event triggered for client fd [5].
recv data from client fd [5] and data is [c].
EPOLLIN event triggered for client fd [5].
recv data from client fd [5] and data is [d].
EPOLLIN event triggered for client fd [5].
recv data from client fd [5] and data is [
].

3.还原刚才注释的那行代码，编译后执行 ./epoll et 启动服务器，然后在另一个命令行窗口用 nc -v 127.0.0.1 51741 模拟一次连接后，然后在另一个命令行窗口用 nc -v 127.0.0.1 51741 模拟一次连接，服务器窗口显示触发了EPOLLOUT事件

albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testepoll$ ./epoll et
start server at port [51741] with [ET] mode.
accept a new client fd [5].
EPOLLOUT event triggered for client fd [5].

在此基础上，从刚刚运行nc命令的窗口中输入回车、输入回车、输出回车，那么epoll服务器窗口看到的是触发了三次EPOLLIN事件，每次收到一个回车:

albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testepoll$ ./epoll et
start server at port [51741] with [ET] mode.
accept a new client fd [5].
EPOLLOUT event triggered for client fd [5].
EPOLLIN event triggered for client fd [5].
recv data from client fd [5] and data is [
].
EPOLLIN event triggered for client fd [5].
recv data from client fd [5] and data is [
].
EPOLLIN event triggered for client fd [5].
recv data from client fd [5] and data is [
].

但是如果在nc模拟的客户端里输出abcd回车，那么在epoll服务器窗口触发一次EPOLLIN事件接收到一个a之后便再也不会触发EPOLLIN了，即使你在nc客户端在此输入也没有用，那是因为在接受的缓冲区中一直还有数据，新数据来时没有出现缓冲区从空到有数据的情况，所以在ET模式下也注意这种情况。

albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testepoll$ ./epoll et
start server at port [51741] with [ET] mode.
accept a new client fd [5].
EPOLLOUT event triggered for client fd [5].
EPOLLIN event triggered for client fd [5].
recv data from client fd [5] and data is [
].
EPOLLIN event triggered for client fd [5].
recv data from client fd [5] and data is [
].
EPOLLIN event triggered for client fd [5].
recv data from client fd [5] and data is [
].
EPOLLIN event triggered for client fd [5].
recv data from client fd [5] and data is [a].

怎么解决ET触发了一次就不再触发了

改代码呗，ET模式在连接后触发一次EPOLLOUT，接收到数据时触发一次EPOLLIN，如果数据没收完，以后这两个事件就再也不会被触发了，要想改变这种情况可以再次注册一下这两个事件，时机可以选择接收到数据的时候，所以可以修改这部分代码：

else
{std::cout << "EPOLLIN event triggered for client fd [" << epoll_events[i].data.fd << "]." << std::endl;char recvbuf[1024] = { 0 };int m = recv(epoll_events[i].data.fd, recvbuf, 1, 0); // only read 1 bytes when read event triggeredif (m == 0 || (m < 0 && errno != EWOULDBLOCK && errno != EINTR)){if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, epoll_events[i].data.fd, NULL) != -1)std::cout << "the client fd [" << epoll_events[i].data.fd << "] disconnected." <<  std::endl;close(epoll_events[i].data.fd);}std::cout << "recv data from client fd [" << epoll_events[i].data.fd << "] and data is [" << recvbuf << "]." << std::endl;
}

添加再次注册的逻辑：

else
{std::cout << "EPOLLIN event triggered for client fd [" << epoll_events[i].data.fd << "]." << std::endl;char recvbuf[1024] = { 0 };int m = recv(epoll_events[i].data.fd, recvbuf, 1, 0); // only read 1 bytes when read event triggeredif (m == 0 || (m < 0 && errno != EWOULDBLOCK && errno != EINTR)){if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, epoll_events[i].data.fd, NULL) != -1)std::cout << "the client fd [" << epoll_events[i].data.fd << "] disconnected." <<  std::endl;close(epoll_events[i].data.fd);}epoll_event client_fd_event;client_fd_event.data.fd = epoll_events[i].data.fd;client_fd_event.events = EPOLLIN | EPOLLOUT;if (argc > 1) client_fd_event.events |= EPOLLET;epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_MOD, epoll_events[i].data.fd, &client_fd_event);std::cout << "recv data from client fd [" << epoll_events[i].data.fd << "] and data is [" << recvbuf << "]." << std::endl;
}

这次以./epoll et方式启动服务器，使用nc -v 127.0.0.1 51741模拟客户端，输入abc回车发现，epoll服务器输出显示触发的事件变了：

albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testepoll$ ./epoll et
start server at port [51741] with [ET] mode.
accept a new client fd [5].
EPOLLOUT event triggered for client fd [5].
EPOLLIN event triggered for client fd [5].
recv data from client fd [5] and data is [a].
EPOLLIN event triggered for client fd [5].
recv data from client fd [5] and data is [b].
EPOLLIN event triggered for client fd [5].
recv data from client fd [5] and data is [c].
EPOLLIN event triggered for client fd [5].
recv data from client fd [5] and data is [
].
EPOLLOUT event triggered for client fd [5].

为什么使用边缘触发必须使用非阻塞

在设置边缘触发时，因为每次发消息只会触发一次(不管缓存区是否还留有数据)，所以必须把数据一次性读取出来，否则会影响下一次消息

下面的代码实现的是监听文件描述符，每次固定读取5个字节

先看下面这段代码

int main(int argc, char *argv[])
{int epfd, nfds;int i;struct epoll_event event, events[10];char buf[5];int flag;epfd = epoll_create(10);event.data.fd = 0; /* 监听标准输入 */event.events = EPOLLIN | EPOLLET; /* 读监听、边缘触发 *///event.events = EPOLLIN; /* 读监听、边缘触发 */epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, 0, &event);#if 0flag = fcntl(0, F_GETFL);fcntl(0, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);
#endif	while (1){int i;int num = 0;char c;nfds = epoll_wait(epfd, events, 5, -1); /* 返回就绪的文件描述符 */for (i = 0; i < nfds; ++i) {if (events[i].data.fd == STDIN_FILENO) {for(i = 0; i < 5; i++){buf[i] = getc(stdin);if(buf[i] == -1)break;}printf("hello world\n");}}}return 0;
}

这段代码的目的是，使用边沿触发，每次触发读取5个字节，此时getc函数是阻塞读取，这就会引起一个问题，当缓存中的数据小于5时，就会在这里阻塞等待，导致无法处理其他IO，这是非常错误的行为，在并发的服务器中，会导致服务器阻塞，无法处理其他客户端

正确的处理方法是将读取的文件描述符设置为非阻塞，循环读取，如果没有数据了就放回错误，这样就不会让服务器阻塞

可以添加下面这两行代码，将标准输入设置为非阻塞IO

flag = fcntl(0, F_GETFL);
fcntl(0, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);

这就解释了为什么边沿触发必须使用非阻塞的问题。

水平触发和边沿触发的优缺点

水平触发LT：

优点：程序简单，会完整地读取所有数据。

缺点：重复地事件触发会影响高并发服务器地性能，因为epoll监控事件涉及到系统调用，需要用户态-内核态的转换。LT消耗了大量的系统资源，影响服务器性能；

边沿触发ET：

优点：每次epoll_wait只用触发一次，通过程序逻辑实现读取缓冲区的所有数据，工作效率高，大大提升了服务器性能；

缺点（没归纳出来，随便写一个）：不能保证数据的完整。（这个可以通过上面提到的程序逻辑实现完整地读取数据）

边沿触发没什么缺点？那是不是用epoll就用ET边沿触发就好了？

我的理解是，YES。在日常用epoll实现并发处理，可以优先使用“边沿触发（EPOLLET）+非阻塞IO”模式。

在高并发服务器中边沿触发(ET)的效率更高

因为边沿触发只在数据到来的一刻才触发，很多时候服务器在接受大量数据时会先接受数据头部(水平触发在此触发第一次，边沿触发第一次)。

接着服务器通过解析头部决定要不要接这个数据。此时，如果不接受数据，水平触发需要手动清除（水平触发当有数据时，会一直触发，直到没有数据可读），而边沿触发可以将清除工作交给一个定时的清除程序去做（只触发一次，不需要的数据可以不读），自己立刻返回。

但是如果sockfd中发送的数据较小，我一次recv就能全部读完，这样LT也不会重复触发epoll事件，和边沿触发的性能差不多，那我们为什么不用更简单的水平触发呢，当然可以使用。那其实就可以理解水平触发和边沿触发是有一个分界点，就是看sockfd的数据是小数据还是大数据。recv的BUFFER_LENGTH如果一次能接收完recv buffer中的数据，就是小数据，一次接收不完就是大数据。小数据就用水平触发，大数据就用边沿触发

但但但但是LT还在一种场景有使用，就是Nginx服务器中listenfd是用的水平触发 。（网络服务器中一般涉及两类sockfd,一种是用于监听是否有连接请求的socket，一种是用于传输数据的socket(上面讲的sockfd都是用于传输数据的)）

有一些解释是listenfd用水平触发，如果多个client同时连接进来，listenfd里面积攒多个连接的话，accept一次只处理一个连接，防止漏掉连接，选择水平触发。


http://www.ppmy.cn/news/1530408.html

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