libevent深入浅出

最新推荐文章于 2025-09-09 15:15:36 发布

原创

最新推荐文章于 2025-09-09 15:15:36 发布 · 1.2k 阅读

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#epoll #内核 #reactor

引子

图1 一种简单的服务架构

在介绍libevent之前，首先抛出一个问题，如果让你设计一个高性能的服务架构，要求服务端能够处理多个客户端连接并响应客户端的请求，如图1所示，你会如何设计？

一个比较直观的想法是在服务端，每来一个客户端连接，即开启一个线程去处理并响应，这种设计的优点是简单易懂，缺点也很明显，如果客户端连接比较多，需要开启多个线程去处理，而操作系统开启线程是需要一定代价的，服务端在多个线程间切换也是比较消耗资源的；另外，多个线程操作临界资源时会带来锁竞争问题，当连接数比较多时竞争会非常激烈。那么接下来，我将介绍一种比较经典的处理方式，学习完之后，也许对于这个系统的设计会有不同的答案。

前置知识

在介绍之前，首先说明几个概念。

I/O多路复用
进程需要一种预先告知内核的能力，使得内核一旦发现进程指定的一个或多个I/O条件就绪(也就是说输入已准备好，或者描述符已经承接更多的输出)，它就通知进程，这种能力称为I/O复用。IO多路复用是一种同步IO模型，实现一个线程可以监视多个文件句柄；一旦某个文件句柄就绪，就能够通知应用程序进行相应的读写操作；没有文件句柄就绪时会阻塞应用程序，交出cpu。多路是指网络连接，复用指的是同一个线程。
用户空间和内核空间
现在操作系统都是采用虚拟存储器，那么对32位操作系统而言，它的寻址空间（虚拟存储空间）为4G（2的32次方）。操作系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核（kernel），保证内核的安全，操心系统将虚拟空间划分为两部分，一部分为内核空间，一部分为用户空间。针对linux操作系统而言，将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供内核使用，称为内核空间，而将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为用户空间，如图2所示。这里还有一个比较重要的概念，叫DMA（Direct Memory Access直接存储器访问），它的作用是处理各种I/O，包括网络I/O和磁盘I/O。CPU是不会直接处理I/O的，这是因为CPU非常宝贵，而I/O是比较耗时的，如果CPU一直等待某一次I/O事件完成，会带来极大的浪费，且性能会急剧下降，因此需要一种机制能够完成I/O，并通知CPU，DMA即是这个角色。

在这里插入图片描述

图2 用户空间和内核空间

从图2中可以看到，对于一次I/O访问，数据会先被拷贝到内核空间中，然后才会拷贝到用户空间中供应用程序使用，所以在这个过程中会经历两个阶段（对应图2中的1，2两个步骤）：

等待数据准备
将数据从内核空间拷贝到进程中

正是因为这两个阶段，linux系统中产生了两大类网络模式

同步I/O
- 阻塞I/O
- 非阻塞IO
- I/O多路复用
- 信号驱动I/O（使用较少）
异步I/O

同步I/O和异步I/O主要区别在于：
用户进程在发起I/O操作之后可以立刻去做其他事情，数据拷贝由硬件拷贝到内核空间、从内核空间拷贝到用户空间都不阻塞，这种就是异步I/O；两个步骤中有任何一步发生阻塞，就是同步I/O。

同步I/O又细分了很多模式，它们的区别是：

同步I/O模式	详细说明
阻塞I/O	在步骤1即阻塞
非阻塞I/O	步骤1不阻塞，需轮询；步骤2阻塞
I/O多路复用	与阻塞I/O一样，优点是可以处理多个连接

阻塞I/O典型代码（大部分socket接口都是阻塞型的，当然可以设置为非阻塞，以python语言为例，主要是代码简单清晰，其他语言类似）

## 客户端
import socket
sk = socket.socket()
sk.connect(('0.0.0.0', 9600))
while True:
    msg = input('>>>>')
    sk.send(msg.encode())
    if msg.lower() == 'quit':
        break
    ret = sk.recv(1024)
    if ret.lower() == 'quit':
        break
    print(ret.decode())
sk.close()
#########################################################################
## 服务端
import socket
# 默认TCP，参数可以不写
sk = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)  
sk.bind(('0.0.0.0', 9600))
sk.listen(1)
while True:
    conn, ip_addr =</