Майкл Джонсон - Разработка приложений в среде Linux. Второе издание

• Название: Разработка приложений в среде Linux. Второе издание
• Автор: Майкл Джонсон
• Издательство: Вильямс
• Жанр: Программное обеспечение
• Год: 2007
• ISBN: 978-5-8459-1143-8

Книга известных профессионалов в области разработки коммерческих приложений в Linux представляет собой отличный справочник для широкого круга программистов в Linux, а также тех разработчиков на языке С, которые перешли в среду Linux из других операционных систем. Подробно рассматриваются концепции, лежащие в основе процесса создания системных приложений, а также разнообразные доступные инструменты и библиотеки. Среди рассматриваемых в книге вопросов можно выделить анализ особенностей применения лицензий GNU, использование свободно распространяемых компиляторов и библиотек, системное программирование для Linux, а также написание и отладка собственных переносимых библиотек. Изобилие хорошо документированных примеров кода помогает лучше усвоить особенности программирования в Linux.

Книга рассчитана на разработчиков разной квалификации, а также может быть полезна для студентов и преподавателей соответствующих специальностей.

---

50:   count++;

51:  }

52:

53:  printf("Вызовов poll() в секунду: %d\n", count);

54:

55:  return 0;

56: }

Здесь используется устройство /dev/zero, предоставляющее бесконечное количество нулей, что обеспечивает немедленный возврат системных вызовов. Значение HIGH_FD можно изменить, чтобы посмотреть, как деградирует select() по мере роста значений файловых дескрипторов.

В определенной системе при не очень высоком значении HIGH_FD, равном 2, программа показала, что ядро за секунду может обрабатывать в четыре раза больше вызовов poll(), чем вызовов select(). При увеличении HIGH_FD до 1000 эффективность poll() становится в 40 раз выше, чем у select().

13.1.5. Мультиплексирование с помощью epoll

В версии 2.6 ядра Linux был предложен третий метод для мультиплексированного ввода-вывода по имени epoll. Будучи более сложным, чем poll() или select(), epoll ликвидирует узкие места, связанные с производительностью, которые характерны для обоих методов.

Оба системных вызова poll() и select() передают на проверку полный список файловых дескрипторов при каждом вызове. Каждый из этих дескрипторов должен быть обработан системным вызовом, даже если только один из них готов к чтению или записи. Когда проверяются десятки, сотни или тысячи файловых дескрипторов, эти системные вызовы превращаются в узкие места; ядро тратит много времени на выяснение того, какие именно файловые дескрипторы приложению необходимо проверить.

При использовании epoll приложения обеспечивают ядро списком файловых дескрипторов для проверки с помощью одного системного вызова, а затем для проверки этих дескрипторов с помощью другого системного вызова. После создания списка ядро постоянно проверяет эти дескрипторы для событий, интересующих приложение[79], а затем сообщает о событии. Как только приложение запрашивает у ядра файловые дескрипторы, готовые для дальнейшей обработки, ядро предоставляет список без необходимости проверки каждого файлового дескриптора.

Преимущества в плане производительности epoll требуют более сложного, чем у poll() или select(), интерфейса системных вызовов. В то время как poll() использует массив struct pollfd для предоставления набора файловых дескрипторов, a select() с той же целью — три разных структуры fd_set, epoll перемещает эти наборы файловых дескрипторов в ядро, а не хранит их в адресном пространстве программы. На каждый из этих наборов ссылаются с помощью дескриптора epoll, являющегося файловым дескриптором, который можно применять только для системных вызовов epoll. Новые дескрипторы epoll распределяются системным вызовом epoll_create().

#include <sys/epoll.h>

int epoll_create (int numDescriptors);

Единственный параметр numDescriptors — это наилучшее предположение программы о том, на какое количество файловых дескрипторов будет ссылаться заново созданный дескриптор epoll. Это не жесткий предел, это просто подсказка ядру для более точной инициализации его внутренних структур. epoll_create() возвращает дескриптор epoll, а когда программа заканчивает работу с дескриптором, его следует передать close(), чтобы позволить ядру освободить память, используемую этим дескриптором.

Хотя дескриптор epoll является файловым дескриптором, его следует применять только с двумя системными вызовами.

#include <sys/epoll.h>

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);

Большинство этих параметров используют структуру struct epoll_event, которая определяется, как показано ниже.

#include <sys/epoll.h>

struct epoll_event {

 int events;

 union {

  void * ptr;

  int fd;

  unsigned int u32;

  unsigned long long u64;

 } data;

};

Эта структура обслуживает три цели: определяет, какие типы событий следует проверять, определяет типы произошедших событий и ассоциирует отдельный элемент данных с файловым дескриптором. Поле events предназначено для первых двух функций и является одной или несколькими перечисленными далее значениями, объединенными с помощью логического "ИЛИ"[80].

EPOLLIN Определяет, что операция read() не блокируется; данные или уже готовы, или их уже не осталось для считывания. EPOLLOUT Связанный файл готов для записи. EPOLLPRI Файл имеет внешние данные, готовые для чтения.

Второй элемент struct epoll_event, data, представляет собой объединение, содержащее целое число (для хранения файлового дескриптора), указатель, а также 32- и 64-битные целые числа[81]. Этот элемент данных хранится в epoll и возвращается в программу всякий раз, когда происходит событие подходящего типа. Элемент data — это единственный способ, с помощью которого программе нужно выяснить, какой файловый дескриптор необходимо обслужить; интерфейс epoll не передает файловый дескриптор программе, в отличие от poll() и select() (если data не содержит файловый дескриптор). Этот метод обеспечивает дополнительную гибкость приложениям, которые отслеживают файлы как нечто, более сложное, чем простые файловые дескрипторы.

Системный вызов epoll_ctl() добавляет файловые дескрипторы к набору, на который ссылается дескриптор epfdepoll, и удаляет их из него.

Второй параметр, op, описывает, каким образом следует модифицировать набор файловых дескрипторов, и является одним из перечисленных ниже.

EPOLL_CTL_ADD Файловый дескриптор fd добавляется к набору файловых дескрипторов набором событий events. Если файловый дескриптор уже присутствует, он возвращает EEXIST. (Несколько потоков могут добавлять тот же файловый дескриптор к набору epoll более одного раза, но это действие ничего не меняет.) EPOLL_CTL_DEL Файловый дескриптор fd удаляется из контролируемого набора файловых дескрипторов. Параметр events должен указывать на struct epoll_event, но содержимое этой структуры игнорируется. (Это еще раз доказывает, что events должен быть допустимым указателем; он не может быть NULL.) EPOLL_CTL_MOD Системный вызов struct epoll_event для fd обновляется на основе информации, на которую указывает events. Это позволяет контролировать набор событий и обновлять элемент данных, ассоциируемый с файловым дескриптором, не создавая условий состязания.

Последним системным вызовом epoll является epoll_wait(), который блокирует до тех пор, пока один или несколько контролируемых файловых дескрипторов не будут иметь данные для чтения или же не будут готовы к записи. Первым аргументом является дескриптор epoll, а последний — тайм-аутом в секундах. Если файловые дескрипторы не готовы к обработке до истечения тайм-аута, epoll_wait() возвращает 0.

Два промежуточных параметра определяют буфер для ядра, в который можно копировать структуры struct epoll_event. Параметр events указывает на буфер, maxevents определяет, какое количество структур struct epoll_event помещается в буфер, а возвращаемое значение сообщает программе количество структур, помещенных в этот буфер (пока вызов не попадет в состояние тайм-аута либо не произойдет ошибка).

Каждый системный вызов struct epoll_event сообщает программе полное состояние контролируемого файлового дескриптора. Элемент events может иметь установленные флаги EPOLLIN, EPOLLOUT или EPOLLPRI, а также два новых флага, которые описаны ниже.

EPOLLERR С файлом связано ожидающее состояние ошибки; это случается, если ошибка происходит в сокете, когда приложение не считывает из него или не записывает в него. EPOLLHUP Файловый дескриптор завис; в главе 10 дана информация о том, когда это обычно происходит.

На первый взгляд это все может показаться сложным, но на самом деле это очень похоже на работу poll(). Вызов epoll_create() — это то же, что и распределение массива struct pollfd, a epoll_ctl() — это то же, что и инициализация элементов этого массива. Главный цикл, обрабатывающий файловые дескрипторы, использует epoll_wait() вместо системного вызова poll(), а close() аналогичен освобождению памяти, занимаемой массивом struct pollfd. Эти параллели помогают переписывать с применением epoll программы мультиплексирования, которые изначально были реализованы с помощью poll() или select().