epoll事件驱动框架使用注意事项

内容简介：epoll事件驱动框架使用注意事项

一、多线程环境scale-up和load-balance

1.1 多线程accept

在比如HTTP/1.0的类似应用中，TCP都采用短连接的方式工作，那么accept()工作将会很重甚至成为整个系统的瓶颈所在，为了能够利用多核的并行处理，通常需要在多个执行单元(此处考虑多线程)上面并行运行accept()服务。但是：

(1) 简单的电平触发模式

这是最简单的方式，在多个线程中共享同一个bound socket file descriptor，然后各个线程在自己的服务中将其和一个epoll-event相关联，启动accept()服务。

epoll默认情况下是和select一样执行Level-Triggle，多线程模式下使用电平触发模式会有“惊群”效应，所有侦听这个套接字的线程都会被唤醒，而多个线程同时执行accept()只会有一个线程成功，其他线程全部返回EAGAIN。

(2) 边缘触发模式

虽然epoll的边缘触发工作状态下内核保证只会通知一次(一个线程)，但是在边缘触发模式下，根据epoll的手册告知我们，无论是读还是写操作都要直到底层返回EAGAIN的时候本轮操作才可以结束，否则可能事件的数据没有操作完，但是在边缘触发情况下有不会继续发送信号，那么待处理数据会一直滞留下去。

所以在多线程即使使用边缘触发也会有竞争问题：线程A的epoll_wait返回后，线程A不断的调用accept()处理连接请求，当内核的accept queue队列中的请求恰好处理完时候，内核会重新将该socket置为不可读状态，以便可以重新被触发；此时如果新来了一个连接，那么另外一个线程B可能被唤醒，然后执行accept()操作，不过此时之前的线程A还需要重新再执行一次accept()以确认accept queue已经被处理完了，此时如果线程A成功accept的话，线程B就被惊醒了。

而且情况更为严重的是在考虑负载均衡的情况下，其他线程有可能被饿死，绝大多数情况的连接都被之前唤醒线程的最后一次确认性accept()给实际消费了。

(3) 新内核的解决方式

在4.5+内核版本上，epoll提供了EPOLLEXCLUSIVE标识，该标识会保证一个事件发生时候只有一个线程会被唤醒，以避免多侦听下的“惊群”问题。

如果不支持该标识，还可以使用Edge-Triggle + EPOLLONESHOT方式，启用该标识的时候epoll会在epoll_wait返回的时候自动禁止该描述符对应的事件通知，然后调用accept()消费事件，然后用户需要手动执行epoll_ctl(EPOLL_CTL_MOD)再次手动使能，等于会有一次额外epoll_ctl系统调用的开销。这种方式会让负载在多个执行单元上均衡的分布，不过任一时候只能有一个工作线程调用accept()，限制了真正并行的吞吐量。

根本性的解决方式是使用新内核的SO_REUSEPORT，可以使得应用程序在同一个端口上面创建多个socket，从而避免上面共享socket带来的种种问题。

1.2 多线程read

如果为每个线程维持一个自己的工作队列，在自己的队列中独自侦听自己的socket，那么数据的有序和完整性是很容保证的，毕竟socket只会在一个工作线程中出现并使用。不过这种做法的缺点是每个线程的工作负载可能是不均衡的，这种事先划分队列的情况可能导致某些线程的事件处理延迟，而某些线程空闲原地打转。

多个线程使用同一个队列自然是在负载均衡、处理效率上是最理想的，可以称之为”combined queue”模型，他们共享同一个epoll set，然后大家都尝试去获取active socket，不过也可能产生问题：

电平触发的惊群自然不必多说。而即使使用了EPOLLEXCLUSIVE保证每次只有一个线程获得对应读事件，但是如果第一个线程没有读完数据，那么下一次被唤醒的就可能是其他的工作线程，这种情况处理起数据就很糟糕了，毕竟在电平触发的情况下，我们不知道有多少数据可以读。

边缘触发也会导致数据完整性的竞争条件，其竞争的位置在于缓冲队列读完了，在内核将该事件置为可触发状态，此时内核又收到数据了，那么内核可能会唤醒其他线程来接收这个数据，而原本线程接收的数据就不完整了。

唯一解决的方式，就是采用EPOLLONESHOT的方式，在确认数据接收完全，本线程不需要再次使用socket的时候，再次手动触发事件使能。

二、epoll中用户态和内核态管理不一致的问题

这个问题被诟病了很久，在使用的时候必须特别的小心才可以。在通常情况下，用户态调用close()关闭file descriptor的时候，内核的file description的引用计数会递减，而当内核发现其没有再被引用的时候，会清理该file description上面的epoll事件侦听。

在通常的使用情况下，这确实没有什么问题，但是在遇到dup、fork、IO重定向等非常规操作的时候，file descriptor的生命周期和file description的生命周期就会不同，从而很容易发生问题：假设通过dup用户态就有两个fd共享同一个底层的file description，此时关闭原先注册epoll event事件的fd而不调用epoll_ctl取消事件侦听，那么底层的epoll event事件订阅就没有真正被取消；此时上层的应用程序看来现象就是即便关闭了fd，但是epoll_wait()还是会不断返回关闭了的fd的事件信息，更糟糕的是 fd已经关闭，我们无法通过epoll_ctl再次取消这个事件侦听了 ，因为fd是epoll控制底层事件的唯一入口，即便相同引用底层的其他fd也不行，对此你无能为力。

作者的伪代码很容易说明问题：

rfd, wfd = pipe()
write(wfd, "a")             # Make the "rfd" readable
epfd = epoll_create()
epoll_ctl(efpd, EPOLL_CTL_ADD, rfd, (EPOLLIN, rfd))

rfd2 = dup(rfd)
close(rfd)

r = epoll_wait(epfd, -1ms)  # still recv event!!!

所以，当你在epoll中关闭一个fd的时候，也定要事先调用epoll_ctl(EPOLL_CTL_DEL)取消事件侦听，否则你唯一能补救的就是：通过epfd强制将整个epoll_set的事件都废除掉，然后再从头重新建立事件侦听机制。

针对上面的epoll种种问题，Marek给出的建议就是：

如果可以不要在多线程中使用epoll的时候做负载均衡，因为往往实际得到的效率收获甚微；不要在多线程中共享、同时操作socket。避免fork，如果必须的话：在execv之前请关闭所有注册了epoll事件侦听的file descriptor。在调用dup/dup2/dup3和close之前，必须使用epoll_ctl(EPOLL_CTL_DEL)取消事件侦听！

关于上面的内容，前半部分其实已经在Nginx中有所涉及了，比如Nginx的accept_mutex、SO_REUSEPORT机制等，后半部分在以后使用epoll时候必须时刻提醒自己脑袋清醒，要么就使用成熟的基于epoll封装的事件库！

本文完！

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持 码农网

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