朴素、Select、Poll和Epoll网络编程模型实现和分析——Poll、Epoll模型处理长连接性能比较

在《朴素、Select、Poll和Epoll网络编程模型实现和分析——模型比较》一文中，我们分析了各种模型在处理短连接时的能力。本文我们将讨论处理长连接时各个模型的性能。（转载请指明出于breaksoftware的csdn博客）

我们可以想象下场景，如果我们使用朴素模型来处理长连接，则需要引入多线程来处理：主线程接收接入的Socket，子线程处理一个个Socket的读写。因为长连接需要客户端和服务器之间维系一段时间，所以服务器子线程要一直同步等待socket的改变。如果socket长时间没有变化，那么这个子线程就将长期处于闲置状态，这无疑是对资源的一种浪费。然而此时Select、Poll和Epoll模型就能很好的解决这个问题，因为它是异步事件通知模式，所以不需要大量的线程同步等待，可以很好的利用线程资源。

因为我不想引入多线程协助处理，而朴素模型在处理长连接的情况下需要多线程协助，所以我没有将朴素模型列入之后的对长连接支持的改造。还有我也不打算对Select模型代码进行改造，因为我们之前已经分析过，Select模型只能处理一定数量的长连接，所以在高并发的场景下，它也没法使用。于是我们需要改造的是Poll和Epoll模型的代码，其实修改非常简单，我们只要将之前写完回包操作之后的关闭连接给去掉即可。

下一步，我们要对客户端进行改造。为了让客户端足够高效的利用线程资源，我们将客户端也改成Epoll模型。

void* send_data(void* arg) {int wait_time;int epfd, nfds;int client_sock;struct epoll_event ev, events[SOCKET_LIST_COUNT];int in_events, out_events;int index;wait_time = *(int*)arg;in_events = EPOLLIN | EPOLLET;out_events = EPOLLOUT | EPOLLET;epfd = epoll_create1(0);for (index = 0; index < 100; index++) {client_sock = make_client_socket();connect_server(client_sock);set_nonblock(client_sock);request_add(1);ev.data.fd = client_sock;ev.events = in_events;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, client_sock, &ev);client_write(client_sock);ev.events = in_events;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, client_sock, &ev);}   while (1) {nfds = epoll_wait(epfd, events, sizeof(events), 500);usleep(wait_time);for (index = 0; index < nfds; ++index) {int fd = events[index].data.fd;if (events[index].events & EPOLLIN) {if (0 != client_read(fd)) {close(fd);epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);}else {events[index].events = out_events;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &events[index]);}}else if (events[index].events & EPOLLOUT) {client_write(fd);events[index].events = in_events;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &events[index]);}}}close(epfd);
}

我们只对线程函数进行修改。让一个线程新建100个socket去连接服务器，并使用Epoll模型去管理这些socket。

由于我的环境默认只能同时处理1024个连接，所以我使用ulimit -n 3000指令修改了该值，以让我们服务器可以同时处理3000个连接（实际上不到3000个，因为系统还要占用几个）。

最后在3个终端中使用./epoll_client 10 10指令启动客户端，让客户端启动30个线程，共新建3000个长连接。这3000个长连接每隔10微秒向服务器发送和接收一次数据。我们看下Poll模型的稳定时的表现

平均每秒处理27222次“读和写”操作。我们再看下EPoll模型的表现

平均每秒处理18876次“读和写”操作。

我们非常惊讶的发现Epoll模型竟然比Poll模型差！我们使用varlgrind对两种模型进行分析

Poll模型的main函数自身耗时占比仅为12.11%。其主要是读写操作的占用。而其执行循环的次数是 10 113 131次，有效循环是8 374 693次，有效率是82.2%。这个比例还是不错的。

我们再看Epoll模型的统计结果

Epoll模型的main函数自身占用26.56%，这个比例是Poll模型的两倍。其中循环次数和有效循环次数一致，故有效率是100%。

通过上面的对比，我们可以推定就是main函数自身的耗时影响了Epoll模型的效率。

和《朴素、Select、Poll和Epoll网络编程模型实现和分析——模型比较》中对Poll和Epoll模型的性能统计分析，我们发现Poll模型的main函数自身耗时占比有明显的变化，前文是46.93%，本文是12.11%。而Epoll模型的main函数自身耗时占比则比较稳定，前文是25.7%，本文是26.56%。

我们再看下CPU和内存的情况

可以发现当前测试环境下两个模型的CPU和内存占用情况是相差不大的。

经过以上分析，我们可以发现在处理长连接时，如果同时连接数量不是很大，且长连接通信频繁时，Poll模型的效率是比Epoll高的。

那么什么时候Epoll效率最高呢？对比Poll和Epoll模型，我们发现Poll模型中有效循环的比例会随着连接数量上涨、通信频度下降而下降。于是我们模拟大量长连接，通信频度不高的场景。

为了能支持高并发，我们需要对我们的系统设置进行一些修改。我的测试环境是Ubuntu Server 14，网上有一篇博文《Ubuntu 12 ulimit 系统最大打开文件个数设置》，我按此博文介绍将我的环境下的最大连接数改成了40960。这一步非常必要。
我们使用,/epoll_client 200 1000000指令启动20个线程，供建立20000个连接，各个连接每一秒钟发送一次请求。

我们看下Poll模型的表现

Poll模型平均每秒完成6665次“读和写”操作，且CPU占用率高达65%。

再看下Epoll模型的表现

Epoll模型平均每秒完成6871次“读和写”操作，而CPU占用率只有8.6%。

上述现象说明在大量长连接、不频繁通信的情况下，Epoll模型比Poll模型在CPU消耗上要优秀非常多。

同样我们使用varlgrind分析这种场景下Poll模型和Epoll模型的耗时情况

首先看Poll模型

Poll模型的main函数自身耗时占了64.65%。总循环次数445 973 878，有效循环次数2 135 891，有效率0.48%。

再看看Epoll模型的统计结果

Epolll模型的main函数自身耗时还是稳定在26.57%。总循环次数和有效循环次数一致，故有效率100%。

网上还有很多关于Poll模型和Epoll模型在内核源码级别的对比，并指出Epoll模型的源码是多么的高效。但是使用varlgrind工具测试发现，其主要的性能差距是在无效循环的比例上。而内核源码导致的性能进步却没有明显体现。我们以strlen函数为参考进行对比就可以发现上述观点（可以认为不同程序里对相同内容空间进行strlen操作耗时是一样）。

Poll模型的strlen函数和poll函数的耗时占比是1.21:0.01=121。而Epoll模型中则是9.38:(2.36+0.23)=3.63。

经过这一系列博文的分析，我们可以大致掌握朴素、Select、Poll和Epoll模型的编程方法，同时也对不同场景下选择什么模型有了一定的认识。

最后附上代码链接：http://pan.baidu.com/s/1bTP7MQ 密码：0mc9

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