EPOLL(7)

名前
epoll - I/O イベント通知機能

書式
#include <sys/epoll.h>

説明
epoll API は poll(2) と同様の処理を行う、つまり、複数のファイルディスク リプタを監視し、その中のいずれかが入出力可能な状態であるかを確認する。 epoll API は、エッジトリガーインターフェースとレベルトリガーインターフェースの いずれとしても使用することができ、監視するファイルディスクリプターの数が多い 場合にも使用できる。 epoll インスタンスの作成や管理を行うために 以下のシステムコールが提供されている:

*   epoll_create(2) は epoll インスタンスを作成し、そのインスタンスを参照する ファイルディスクリプターを返す。(もっと新しい epoll_create1(2) では、 epoll_create(2) の機能が拡張されている)。

*   特定のファイルディスクリプターに対する監視内容を epoll_ctl(2) で登録する。 epoll インスタンスに現在登録されているファイルディスクリプターの集合は epoll 集合と呼ばれることもある。

*   epoll_wait(2) は I/O イベントを待つ。 現在利用可能な状態のイベントがなければ、呼び出したスレッドを停止する。

  レベルトリガーとエッジトリガー
epoll イベント配送 (distribution) インターフェースは、 エッジトリガー (ET) としてもレベルトリガー (LT) としても動作させることができる。 二つの配送機構の違いは、次のように説明できる。 このようなシナリオが起こったとしよう:

1.  パイプの読み込み側を表すファイルディスクリプター (rfd) が epoll インスタンスに登録される。

2.  パイプへ書き込むプログラムが 2 kB のデータをパイプの書き込み側へ書き込む。

3.  epoll_wait(2) を呼び出すと、読み込み可能 (ready) なファイルディスクリプターとして rfd が返る。

4.  パイプから読み出すプログラムが、1 kB のデータを rfd から読み出す。

5.  epoll_wait(2) の呼び出しが行われる。

rfd ファイルディスクリプターが EPOLLET フラグ (エッジトリガー) を使って epoll に追加されていると、 利用可能なデータがファイル入力バッファーにまだ存在するにもかかわらず ステップ 5 の epoll_wait(2) の呼び出しでハングする可能性がある。 その一方で、リモートの接続先 (peer) は既に送られたデータに 基づいて応答を期待しているかもしれない。 このようなことが起こる理由は、エッジトリガーイベント配送では、 モニタしているファイルでイベントが起ったときにのみイベントが 配送されるためである。 したがって、ステップ 5 では、呼び出し側は結果的に 入力バッファー内にすで存在するデータを待つことになるかもしれない。 上記の例では、 2 で行われた書き込みによって rfd に関するイベントが生成され、 3 でイベントが消費 (consume) される。 4 で行われる読み込み操作では、全部のバッファーデータを消費しないので、 ステップ 5 で行われる epoll_wait(2) の呼び出しが 無期限に停止 (block) するかもしれない。 EPOLLET フラグを採用するアプリケーションでは、 インターフェースはブロックしない (nonblocking) ファイルディスクリプターを 使うべきである。 これは、ブロックされる読み込みや書き込みによって、 複数のファイルディスクリプターを扱うタスクが 停止してしまうのを避けるためである。 epoll をエッジトリガー (EPOLLET) インターフェースとして使うために提案される方法は以下の通りである。

    i   ブロックしないファイルディスクリプターと共に使う。

    ii  read(2) または write(2) が EAGAIN を返した後でのみ、イベントを待つ。

一方、レベルトリガーインターフェースとして使う場合
 (こちらがデフォルトである、 EPOLLET が指定されなかった場合)、 epoll は単に高速な poll(2) であり、使い方が同じなので、 poll(2) が使われているところではどこでも使用することができる。 エッジトリガーを使った場合でも、複数のデータを受信すると複数の epoll イベントが生成されるので、 呼び出し側には EPOLLONESHOT フラグを指定するオプションがある。 このフラグは epoll に対して、 epoll_wait(2) によるイベントを受信した後で、関連するファイルディスクリプターを無効にさせる。 EPOLLONESHOT フラグが指定された場合、 epoll_ctl(2) に EPOLL_CTL_MOD を指定してファイルディスクリプターを再度使用できるようにするのは、 呼び出し側の責任である。

  autosleep との関係
システムが /sys/power/autosleep 経由で autosleep モードになっていて、 デバイスをスリープ状態から起こすイベントが発生した場合、 デバイスドライバーはデバイスを起こしておくのはそのイベントがキューに入るまでだけである。 イベントが処理されるまでデバイスを起こしたままにしておくには、 epoll(7) EPOLLWAKEUP フラグを使う必要がある。 EPOLLWAKEUP フラグが struct epoll_event の events フィールドでセットされた場合、 イベントがキューに入った瞬間から、epoll_wait(2) がそのイベントを返し次の epoll_wait(2) の呼び出しが行われるまでの間、システムは起きたままの状態になる。 イベントが上記の時間の範囲を超えてシステムを起きたままの状態にしておく必要がある場合は、 2 番目の epoll_wait(2) の呼び出しの前に別の wake_lock を取る必要がある。

  /proc インターフェース
epoll が消費するカーネルメモリーの量を制限するために、 以下のインターフェースを使用することができる。

/proc/sys/fs/epoll/max_user_watches (Linux 2.6.28 以降)
    このファイルは、あるユーザーがシステム上の全ての epoll インスタンスに 登録できるファイルディスクリプターの総数の上限を規定する。 この上限は実ユーザー ID 単位である。 登録されたファイルディスクリプター 1 つが消費するメモリー量は、 32 ビットカーネルでおよそ 90 バイト、 64 ビットカーネルでおよそ 160 バイトである。 現在のところ、 max_user_watches のデフォルト値は、利用可能なメモリー下限の 1/25 (4%) であり、 登録で消費されるメモリー量 (バイト単位) で割った値となる。

  おすすめな使用例
レベルトリガーインターフェースとして使用するときの epoll の使い方は poll(2) と同じである。 しかしエッジトリガーとして使う場合は、 アプリケーションのイベントループでストール (stall) しないように、 使い方をより明確にしておく必要がある。 この例では、リスナはブロックしないソケットであり、 listen(2) が呼ばれている。 関数 do_use_fd() は、 read(2) または write(2) によって EAGAIN が返されるまでは、新しい準備済みのファイルディスクリプターを使う。 イベント駆動ステートマシンアプリケーションは、 EAGAIN を受信した後、カレントの状態を記録しておくべきである。 これにより、次の do_use_fd() 呼び出しのときに、以前に停止したところから read(2) または write(2) を継続することができる。
#define MAX_EVENTS 10
struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];
int listen_sock, conn_sock, nfds, epollfd;
/* Code to set up listening socket, 'listen_sock',
   (socket(), bind(), listen()) omitted */
epollfd = epoll_create1(0);
if (epollfd == -1) {
    perror("epoll_create1");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = listen_sock;
if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_sock, &ev) == -1) {
    perror("epoll_ctl: listen_sock");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
for (;;) {
    nfds = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENTS, -1);
    if (nfds == -1) {
        perror("epoll_pwait");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    for (n = 0; n < nfds; ++n) {
        if (events[n].data.fd == listen_sock) {
            conn_sock = accept(listen_sock,
                            (struct sockaddr *) &local, &addrlen);
            if (conn_sock == -1) {
                perror("accept");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }
            setnonblocking(conn_sock);
            ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
            ev.data.fd = conn_sock;
            if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, conn_sock,
                        &ev) == -1) {
                perror("epoll_ctl: conn_sock");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }
        } else {
            do_use_fd(events[n].data.fd);
        }
    }
}
エッジトリガーインターフェースとして使う場合、性能上の理由により、 一度 (EPOLLIN|EPOLLOUT) を指定してから (EPOLL_CTL_ADD で) ファイルディスクリプターを epoll インターフェースに追加することができる。 これにより、 epoll_ctl(2) に EPOLL_CTL_MOD を指定して呼び出すことで EPOLLIN と EPOLLOUT の連続的な切り替えが避けられる。

  質問と解答

Q0  epoll 集合内の登録されたファイルディスクリプターを区別するには、 何をキーとして使えばよいか？

A0  キーはファイルディスクリプター番号とオープンファイル記述 (open file description) の組である (オープンファイル記述は "open file handle" とも 呼ばれ、オープンされたファイルのカーネルの内部表現である)。

Q1  1 つの epoll インスタンスに同じファイルディスクリプターを 2 回登録するとどうなるか？

A1  たぶん EEXIST を受け取るだろう。 しかしながら、同じ epoll インスタンスに対して複製されたディスクリプターを追加することは可能である (dup(2), dup2(2), fcntl(2) F_DUPFD など)。 複製したファイルディスクリプターを異なる events マスクで登録すれば、イベントをフィルタリングするのに この機能は有用な手法である。

Q2  2 つの epoll インスタンスが同じファイルディスクリプターを待ち受けることは可能か？ もし可能であれば、イベントは両方の epoll ファイルディスクリプターに報告されるか？

A2  イベントは両方に報告される。 しかしながら、これを正しく扱うには注意深くプログラミングする必要が あるかもしれない。

Q3  epoll ファイルディスクリプター自身は poll/epoll/select が可能か？

A3  可能である。 epoll ファイルディスクリプターに処理待ちのイベントがある場合は、 読み出し可能だと通知されることだろう。

Q4  epoll ファイルディスクリプターを自身のファイルディスクリプター集合に 入れようとするとどうなるか？

A4  epoll_ctl(2) の呼び出しは (EINVAL で) 失敗するだろう。 ただし epoll ファイルディスクリプターを他の epoll ファイルディスクリプター集合の内部に追加することは可能である。

Q5  epoll ファイルディスクリプターを UNIX ドメインソケットで他のプロセスに送ることは可能か？

A5  可能だが、これをすることに意味はない。 なぜなら、受信側のプロセスが epoll 集合内のファイルディスクリプターのコピーを持っていないからである。

Q6  ファイルディスクリプターをクローズすると、そのファイルディスクリプターは全ての epoll 集合から自動的に削除されるか？

A6  削除されるが、以下の点に注意が必要である。 ファイルディスクリプターはオープンファイル記述 (open(2) 参照) への参照である。 ディスクリプターの複製を dup(2), dup2(2), fcntl(2) の F_DUPFD や fork(2) 経由で行う度に、同じオープンファイル記述を参照する新規のファイル ディスクリプターが生成される。 オープンファイル記述自体は、自身を参照する全てのファイルディスクリプター がクローズされるまで存在し続ける。 ファイルディスクリプターが epoll 集合から削除されるのは、対応するオープンファイル記述を参照している 全てのファイルディスクリプターがクローズされた後である (epoll_ctl(2) EPOLL_CTL_DEL を使ってそのディスクリプターを明示的に削除した場合にも削除される)。 このことは、 epoll 集合に属しているあるファイルディスクリプターをクローズした後であっても、 同じファイル記述を参照する他のファイルディスクリプターがオープンされている間は、 クローズしたファイルディスクリプター宛にイベントが報告される可能性があると いうことを意味する。

Q7  2 つ以上のイベントが epoll_wait(2) コールの間に発生した場合、それらはまとめて報告されるか、 それとも別々に報告されるか？

A7  まとめて報告されるだろう。

Q8  ファイルディスクリプターに対する操作は、 既に集められているがまだ報告されていないイベントに影響するか？

A8  既存のファイルディスクリプターに対して 2 つの操作を行うことができる。 この場合、削除には意味がない。 変更すると、使用可能な I/O が再び読み込まれる。

Q9  EPOLLET フラグ (エッジトリガー動作) を使っている場合、 EAGAIN を受け取るまで、 継続してファイルディスクリプターを読み書きする必要があるか？

A9  epoll_wait(2) からイベントを受け取ることは、 そのファイルディスクリプターが要求された I/O 操作に対して準備済みである、 ということをユーザーに示すものである。 次の (ブロックしない) read/write で EAGAIN を受け取るまではファイルディスクリプターは準備済みであると 考えなければならない。 そのファイルディスクリプターをいつどのように使うかは、 全くユーザーに任されてる。

    パケット指向やトークン指向のファイル (例えば、データグラムソケット、 canonical モードの端末) では、 読み込み用 / 書き込み用の I/O 空間の末尾を検知する唯一の方法は EAGAIN になるまで read/write を行うことである。

    ストリーム指向のファイル (例えば、パイプ、FIFO、ストリームソケット) では、 読み込み用 / 書き込み用の I/O 空間が使い尽くされた状態は、 対象となるファイルディスクリプターから読み込んだデータ量または 書き込んだデータ量をチェックすることでも検知できる。 例えば、ある特定の量のデータを読み込むために read(2) を呼んだときに、 read(2) が返したバイト数がそれより少なかった場合、 そのファイルディスクリプターの読み込み用 I/O 空間が 使い尽くされたことが分かる。 write(2) を使って書き込みをするときも、同じことが言える (監視しているファイルディスクリプターが常にストリーム指向のファイルを 参照していることを保証できない場合には、後者の手法の使用を避けること)。

  ありがちな落とし穴と回避方法

o 飢餓 (starvation) (エッジトリガー)

大きな I/O 空間がある場合、 その I/O 空間のデータを全て処理 (drain) しようとすると、 他のファイルが処理されず、飢餓を発生させることがある (この問題は epoll に固有のものではない)。

この問題の解決法は、準備済み状態のリストを管理して、 関連する data 構造体の中でファイルディスクリプターが 利用可能であるとマークすることである。 それによって、利用可能なすべてのファイルの中で どのファイルを処理する必要があるかを憶えることができ、 しかも順番に処理 (round robin) することができる。 既に利用可能であるファイルディスクリプターに対して それ以後に受け取るイベントを無視することもできる。

o イベントキャッシュを使っている場合

イベントキャッシュを使っている場合、 または epoll_wait(2) から返された全てのファイルディスクリプターを格納している場合、 クローズされたことを動的にマークする (つまり前のイベントの処理によってマークされる) 方法を提供すべきである。 epoll_wait(2) から 100 個のイベントを受け取り、 イベント #47 ではある条件でイベント #13 が閉じられると仮定する。 イベント #13 の構造体を削除しファイルディスクリプターを close(2) すると、イベントキャッシュはそのファイルディスクリプターを待つイベントが 存在するといって、混乱が起きる。

この問題を解決する 1 つの方法は、イベント 47 の処理をしている間に、 ファイルディスクリプター 13 を削除して close(2) するために epoll_ctl(EPOLL_CTL_DEL) を呼び出し、関連付けられた data 構造体を削除済みとマークして、 クリーンアップリストにリンクすることである。 バッチ処理の中でファイルディスクリプター 13 についての 他のイベントを見つけた場合、 そのファイルディスクリプターが以前に削除されたものであると分かるので、 混乱は起きない。

バージョン
epoll API は Linux カーネル 2.5.44 に導入された。 glibc でのサポートはバージョン 2.3.2 で追加された。

準拠
epoll API は Linux 固有である。 他のシステムでも同様の機構が提供されている場合がある。 例えば、FreeBSD の kqueue や Solaris の /dev/poll などである。

関連項目
epoll_create(2), epoll_create1(2), epoll_ctl(2), epoll_wait(2)

この文書について
この man ページは Linux man-pages プロジェクトのリリース 3.79 の一部 である。プロジェクトの説明とバグ報告に関する情報は http://www.kernel.org/doc/man-pages/ に書かれている。