Linux网络编程 - Eventfd的使用

刘志铭收录于 Linux网络编程

2020-06-09 约 400 字预计阅读 2 分钟

概述

linux系统提供了各种各样的IPC，管道，信号，消息队列，信号量，共享内存，socket等，各有各的应用场景，今天我们来讲一个linux系统提供的系统调用eventfd，这个系统调用比较新，从linux内核 2.6.22版本加入到内核中的。主要是为了高效的利用系统资源实现通知的管理和送达.

在linux系统中，eventfd是一个用来通知事件的文件描述符，是由内核向用户空间的应用发送通知的机制，可以有效地被用来实现用户空间的事件/通知驱动的应用程序。简而言之，eventfd就是用来触发事件通知的。

eventfd详解

函数原型:

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#include <sys/eventfd.h>
int eventfd(unsigned int initval, int flags);

调用接口eventfd()创建一个eventfd对象，或者也可以理解打开一个eventfd类型的文件，类似普通文件的open操作。

该对象是一个内核维护的无符号64位整型计数器，初始化为initval的值。

第二个参数flags在linux 2.6.26之前版本并没有使用，必须初始化为0，在2.6.27之后的版本flag才被使用。

flags是以下三个标志位OR结果:

EFD_CLOEXEC(2.6.27～) : eventfd()返回一个文件描述符，如果该进程被fork的时候，这个文件描述符也会被复制过去，这个时候就会有多个描述符指向同一个eventfd对象，如果设置了这个标志，则子进程在执行exec的时候，会自动清除掉父进程的这个文件描述符。
EFD_NONBLOCK(2.6.27～):文件描述符会被设置为O_NONBLOCK,如果没有设置这个标志位，read操作的时候将会阻塞直到计数器中有值，如果设置了这个这个标志位，计数器没有值得时候也会立刻返回-1.
EFD_SEMAPHORE(2.6.30～): 这个标志位会影响read操作。具体可以参考read方法.

操作方法

read

读取计数器的值。

如果计数器中的值大于0
- 设置了EFD_SEMAPHORE标志位，则返回1，且计数器中的值减去1.
- 没有设置EFD_SEMAPHORE标志位，则返回计数器中的值，且计数器设置为0.
如果计数器中的值为0
- 设置了EFD_NONBLOCK标志位就直接返回-1.
- 没有设置EFD_NONBLOCK标志位就会一直阻塞直到计数器中的值大于0.

write

向计数器中写入值。

如果写入的值和小于0xFFFFFFFFFFFFFFFE,则写入成功。
如果写入的值和大于0xFFFFFFFFFFFFFFFE
- 设置了EFD_NONBLOCK标志位就直接返回-1
- 如果没有设置EFD_NONBLOCK标志位，则会一直阻塞直到read操作执行。

IO多路复用

epoll()/poll()/select(): 支持 IO 多路复用操作

close

关闭文件描述符

使用事例

父子进程间读写示例：

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#include <sys/eventfd.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>             /* Definition of uint64_t */

#define handle_error(msg)                           \
  do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)

int
main(int argc, char *argv[])
{
  int efd, j;
  uint64_t u;
  ssize_t s;

  if (argc < 2) {
    fprintf(stderr, "Usage: %s <num>...\n", argv[0]);
    exit(EXIT_FAILURE);
  }

  efd = eventfd(0, 0);
  if (efd == -1)
    handle_error("eventfd");

  switch (fork()) {
  case 0:
    for (j = 1; j < argc; j++) {
      printf("Child writing %s to efd\n", argv[j]);
      u = strtoull(argv[j], NULL, 0);
      /* strtoull() allows various bases */
      s = write(efd, &u, sizeof(uint64_t));
      if (s != sizeof(uint64_t))
        handle_error("write");
    }
    printf("Child completed write loop\n");

    exit(EXIT_SUCCESS);

  default:
    //    sleep(2);

    printf("Parent about to read\n");
    s = read(efd, &u, sizeof(uint64_t));
    if (s != sizeof(uint64_t))
      handle_error("read");
    printf("Parent read %llu (0x%llx) from efd\n",
           (unsigned long long) u, (unsigned long long) u);
    exit(EXIT_SUCCESS);

  case -1:
    handle_error("fork");
  }
}

执行结果:

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lzm@ubuntu:~/unpipc/pipe$ gcc eventfd.c -o eventfd
lzm@ubuntu:~/unpipc/pipe$ ./eventfd 1 3 5 7 9
Parent about to read
Child writing 1 to efd
Child writing 3 to efd
Child writing 5 to efd
Child writing 7 to efd
Child writing 9 to efd
Child completed write loop
Parent read 25 (0x19) from efd
lzm@ubuntu:~/unpipc/pipe$

典型应用场景及优势

Eventfd在信号通知的场景下，相对比pipe有非常大的资源和性能优势，本质其实是counter(计数器)和channel(数据信道)的区别。

打开文件数量的差异由于pipe是半双工的传统IPC实现方式，所有两个线程通信需要两个pipe文件描述符，而用eventfd只需要打开一个文件描述符。总所周知，文件描述符是系统中非常宝贵的资源，linux的默认值只有1024个而已，pipe只能在两个进程/线程间使用，面向连接，使用之前就需要创建好两个pipe,而eventfd是广播式的通知，可以多对多。
内存使用的差别 eventfd是一个计数器，内核维护的成本非常低，大概是自旋锁+唤醒队列的大小，8个字节的传输成本也微乎其微，而pipe完全不同，一来一回数据在用户空间和内核空间有多达4次的复制，而且最糟糕的是，内核要为每个pipe分配最少4k的虚拟内存页，哪怕传送的数据长度为0.
与epoll完美结合 eventfd设计之初就与epoll完美结合，支持非阻塞读取等，就是为epoll而生的,而pipe是Unix时代就有了，那时候不仅没有epoll,连linux还没诞生。

当pipe只用来发送通知，放弃它，放心的使用eventfd。

eventfd配合epoll才是它存在的原因。