+\subsection{L'interfaccia di \textit{epoll}}
+\label{sec:file_epoll}
+
+\itindbeg{epoll}
+
+Nonostante \func{poll} presenti alcuni vantaggi rispetto a \func{select},
+anche questa funzione non è molto efficiente quando deve essere utilizzata con
+un gran numero di file descriptor,\footnote{in casi del genere \func{select}
+ viene scartata a priori, perché può avvenire che il numero di file
+ descriptor ecceda le dimensioni massime di un \itindex{file~descriptor~set}
+ \textit{file descriptor set}.} in particolare nel caso in cui solo pochi di
+questi diventano attivi. Il problema in questo caso è che il tempo impiegato
+da \func{poll} a trasferire i dati da e verso il kernel è proporzionale al
+numero di file descriptor osservati, non a quelli che presentano attività.
+
+Quando ci sono decine di migliaia di file descriptor osservati e migliaia di
+eventi al secondo,\footnote{il caso classico è quello di un server web di un
+ sito con molti accessi.} l'uso di \func{poll} comporta la necessità di
+trasferire avanti ed indietro da user space a kernel space la lunga lista
+delle strutture \struct{pollfd} migliaia di volte al secondo. A questo poi si
+aggiunge il fatto che la maggior parte del tempo di esecuzione sarà impegnato
+ad eseguire una scansione su tutti i file descriptor tenuti sotto controllo
+per determinare quali di essi (in genere una piccola percentuale) sono
+diventati attivi. In una situazione come questa l'uso delle funzioni classiche
+dell'interfaccia dell'\textit{I/O multiplexing} viene a costituire un collo di
+bottiglia che degrada irrimediabilmente le prestazioni.
+
+Per risolvere questo tipo di situazioni sono state ideate delle interfacce
+specialistiche\footnote{come \texttt{/dev/poll} in Solaris, o \texttt{kqueue}
+ in BSD.} il cui scopo fondamentale è quello di restituire solamente le
+informazioni relative ai file descriptor osservati che presentano una
+attività, evitando così le problematiche appena illustrate. In genere queste
+prevedono che si registrino una sola volta i file descriptor da tenere sotto
+osservazione, e forniscono un meccanismo che notifica quali di questi
+presentano attività.
+
+Le modalità con cui avviene la notifica sono due, la prima è quella classica
+(quella usata da \func{poll} e \func{select}) che viene chiamata \textit{level
+ triggered}.\footnote{la nomenclatura è stata introdotta da Jonathan Lemon in
+ un articolo su \texttt{kqueue} al BSDCON 2000, e deriva da quella usata
+ nell'elettronica digitale.} In questa modalità vengono notificati i file
+descriptor che sono \textsl{pronti} per l'operazione richiesta, e questo
+avviene indipendentemente dalle operazioni che possono essere state fatte su
+di essi a partire dalla precedente notifica. Per chiarire meglio il concetto
+ricorriamo ad un esempio: se su un file descriptor sono diventati disponibili
+in lettura 2000 byte ma dopo la notifica ne sono letti solo 1000 (ed è quindi
+possibile eseguire una ulteriore lettura dei restanti 1000), in modalità
+\textit{level triggered} questo sarà nuovamente notificato come
+\textsl{pronto}.
+
+La seconda modalità, è detta \textit{edge triggered}, e prevede che invece
+vengano notificati solo i file descriptor che hanno subito una transizione da
+\textsl{non pronti} a \textsl{pronti}. Questo significa che in modalità
+\textit{edge triggered} nel caso del precedente esempio il file descriptor
+diventato pronto da cui si sono letti solo 1000 byte non verrà nuovamente
+notificato come pronto, nonostante siano ancora disponibili in lettura 1000
+byte. Solo una volta che si saranno esauriti tutti i byte disponibili, e che
+il file descriptor sia tornato non essere pronto, si potrà ricevere una
+ulteriore notifica qualora ritornasse pronto.
+
+Nel caso di Linux al momento la sola interfaccia che fornisce questo tipo di
+servizio è \textit{epoll},\footnote{l'interfaccia è stata creata da Davide
+ Libenzi, ed è stata introdotta per la prima volta nel kernel 2.5.44, ma la
+ sua forma definitiva è stata raggiunta nel kernel 2.5.66.} anche se sono in
+discussione altre interfacce con le quali si potranno effettuare lo stesso
+tipo di operazioni;\footnote{al momento della stesura di queste note (Giugno
+ 2007) un'altra interfaccia proposta è quella di \textit{kevent}, che
+ fornisce un sistema di notifica di eventi generico in grado di fornire le
+ stesse funzionalità di \textit{epoll}, esiste però una forte discussione
+ intorno a tutto ciò e niente di definito.} \textit{epoll} è in grado di
+operare sia in modalità \textit{level triggered} che \textit{edge triggered}.
+
+La prima versione \textit{epoll} prevedeva l'apertura di uno speciale file di
+dispositivo, \texttt{/dev/epoll}, per ottenere un file descriptor da
+utilizzare con le funzioni dell'interfaccia,\footnote{il backporting
+ dell'interfaccia per il kernel 2.4, non ufficiale, utilizza sempre questo
+ file.} ma poi si è passati all'uso una apposita \textit{system call}. Il
+primo passo per usare l'interfaccia di \textit{epoll} è pertanto quello di
+chiamare la funzione \funcd{epoll\_create}, il cui prototipo è:
+\begin{prototype}{sys/epoll.h}
+ {int epoll\_create(int size)}
+
+ Apre un file descriptor per \textit{epoll}.
+
+ \bodydesc{La funzione restituisce un file descriptor in caso di successo, o
+ $-1$ in caso di errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori:
+ \begin{errlist}
+ \item[\errcode{EINVAL}] si è specificato un valore di \param{size} non
+ positivo.
+ \item[\errcode{ENFILE}] si è raggiunto il massimo di file descriptor aperti
+ nel sistema.
+ \item[\errcode{ENOMEM}] non c'è sufficiente memoria nel kernel per creare
+ l'istanza.
+ \end{errlist}
+}
+\end{prototype}
+
+La funzione restituisce un file descriptor speciale,\footnote{esso non è
+ associato a nessun file su disco, inoltre a differenza dei normali file
+ descriptor non può essere inviato ad un altro processo attraverso un socket
+ locale (vedi sez.~\ref{sec:sock_fd_passing}).} detto anche \textit{epoll
+ descriptor}, che viene associato alla infrastruttura utilizzata dal kernel
+per gestire la notifica degli eventi; l'argomento \param{size} serve a dare
+l'indicazione del numero di file descriptor che si vorranno tenere sotto
+controllo, ma costituisce solo un suggerimento per semplificare l'allocazione
+di risorse sufficienti, non un valore massimo.
+
+Una volta ottenuto un file descriptor per \textit{epoll} il passo successivo è
+indicare quali file descriptor mettere sotto osservazione e quali operazioni
+controllare, per questo si deve usare la seconda funzione dell'interfaccia,
+\funcd{epoll\_ctl}, il cui prototipo è:
+\begin{prototype}{sys/epoll.h}
+ {int epoll\_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll\_event *event)}
+
+ Esegue le operazioni di controllo di \textit{epoll}.
+
+ \bodydesc{La funzione restituisce $0$ in caso di successo o $-1$ in caso di
+ errore, nel qual caso \var{errno} assumerà uno dei valori:
+ \begin{errlist}
+ \item[\errcode{EBADF}] il file descriptor \param{epfd} o \param{fd} non sono
+ validi.
+ \item[\errcode{EEXIST}] l'operazione richiesta è \const{EPOLL\_CTL\_ADD} ma
+ \param{fd} è già stato inserito in \param{epfd}.
+ \item[\errcode{EINVAL}] il file descriptor \param{epfd} non è stato ottenuto
+ con \func{epoll\_create}, o \param{fd} è lo stesso \param{epfd} o
+ l'operazione richiesta con \param{op} non è supportata.
+ \item[\errcode{ENOENT}] l'operazione richiesta è \const{EPOLL\_CTL\_MOD} o
+ \const{EPOLL\_CTL\_DEL} ma \param{fd} non è inserito in \param{epfd}.
+ \item[\errcode{ENOMEM}] non c'è sufficiente memoria nel kernel gestire
+ l'operazione richiesta.
+ \item[\errcode{EPERM}] il file \param{fd} non supporta \textit{epoll}.
+ \end{errlist}
+}
+\end{prototype}
+
+Il comportamento della funzione viene controllato dal valore dall'argomento
+\param{op} che consente di specificare quale operazione deve essere eseguita.
+Le costanti che definiscono i valori utilizzabili per \param{op}
+sono riportate in tab.~\ref{tab:epoll_ctl_operation}, assieme al significato
+delle operazioni cui fanno riferimento.
+
+\begin{table}[htb]
+ \centering
+ \footnotesize
+ \begin{tabular}[c]{|l|p{8cm}|}
+ \hline
+ \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\
+ \hline
+ \hline
+ \const{EPOLL\_CTL\_ADD}& aggiunge un nuovo file descriptor da osservare
+ \param{fd} alla lista dei file descriptor
+ controllati tramite \param{epfd}, in
+ \param{event} devono essere specificate le
+ modalità di osservazione.\\
+ \const{EPOLL\_CTL\_MOD}& modifica le modalità di osservazione del file
+ descriptor \param{fd} secondo il contenuto di
+ \param{event}.\\
+ \const{EPOLL\_CTL\_DEL}& rimuove il file descriptor \param{fd} dalla lista
+ dei file controllati tramite \param{epfd}.\\
+ \hline
+ \end{tabular}
+ \caption{Valori dell'argomento \param{op} che consentono di scegliere quale
+ operazione di controllo effettuare con la funzione \func{epoll\_ctl}.}
+ \label{tab:epoll_ctl_operation}
+\end{table}
+
+La funzione prende sempre come primo argomento un file descriptor di
+\textit{epoll}, \param{epfd}, che deve essere stato ottenuto in precedenza con
+una chiamata a \func{epoll\_create}. L'argomento \param{fd} indica invece il
+file descriptor che si vuole tenere sotto controllo, quest'ultimo può essere
+un qualunque file descriptor utilizzabile con \func{poll}, ed anche un altro
+file descriptor di \textit{epoll}, ma non lo stesso \param{epfd}.
+
+L'ultimo argomento, \param{event}, deve essere un puntatore ad una struttura
+di tipo \struct{epoll\_event}, ed ha significato solo con le operazioni
+\const{EPOLL\_CTL\_MOD} e \const{EPOLL\_CTL\_ADD}, per le quali serve ad
+indicare quale tipo di evento relativo ad \param{fd} si vuole che sia tenuto
+sotto controllo. L'argomento viene ignorato con l'operazione
+\const{EPOLL\_CTL\_DEL}.\footnote{fino al kernel 2.6.9 era comunque richiesto
+ che questo fosse un puntatore valido, anche se poi veniva ignorato, a
+ partire dal 2.6.9 si può specificare anche anche un valore \texttt{NULL}.}
+
+
+
+\begin{figure}[!htb]
+ \footnotesize \centering
+ \begin{minipage}[c]{15cm}
+ \includestruct{listati/epoll_event.h}
+ \end{minipage}
+ \normalsize
+ \caption{La struttura \structd{epoll\_event}, che consente di specificare
+ gli eventi associati ad un file descriptor controllato con
+ \textit{epoll}.}
+ \label{fig:epoll_event}
+\end{figure}
+
+La struttura \struct{epoll\_event} è l'analoga di \struct{pollfd} e come
+quest'ultima serve sia in ingresso (quando usata con \func{epoll\_ctl}) ad
+impostare quali eventi osservare, che in uscita (nei risultati ottenuti con
+\func{epoll\_wait}) per ricevere le notifiche degli eventi avvenuti. La sua
+definizione è riportata in fig.~\ref{fig:epoll_event}.
+
+Il primo campo, \var{events}, è una maschera binaria in cui ciascun bit
+corrisponde o ad un tipo di evento, o una modalità di notifica; detto campo
+deve essere specificato come OR aritmetico delle costanti riportate in
+tab.~\ref{tab:epoll_events}. Il secondo campo, \var{data}, serve ad indicare a
+quale file descriptor si intende fare riferimento, ed in astratto può
+contenere un valore qualsiasi che permetta di identificarlo, di norma comunque
+si usa come valore lo stesso \param{fd}.
+
+\begin{table}[htb]
+ \centering
+ \footnotesize
+ \begin{tabular}[c]{|l|p{8cm}|}
+ \hline
+ \textbf{Valore} & \textbf{Significato} \\
+ \hline
+ \hline
+ \const{EPOLLIN} & Il file è pronto per le operazioni di lettura
+ (analogo di \const{POLLIN}).\\
+ \const{EPOLLOUT} & Il file è pronto per le operazioni di scrittura
+ (analogo di \const{POLLOUT}).\\
+ \const{EPOLLRDHUP} & l'altro capo di un socket di tipo
+ \const{SOCK\_STREAM} (vedi sez.~\ref{sec:sock_type})
+ ha chiuso la connessione o il capo in scrittura
+ della stessa (vedi sez.~\ref{sec:TCP_shutdown}).\\
+ \const{EPOLLPRI} & Ci sono \itindex{out-of-band} dati urgenti
+ disponibili in lettura (analogo di
+ \const{POLLPRI}); questa condizione viene comunque
+ riportata in uscita, e non è necessaria impostarla
+ in ingresso.\\
+ \const{EPOLLERR} & Si è verificata una condizione di errore
+ (analogo di \const{POLLERR}); questa condizione
+ viene comunque riportata in uscita, e non è
+ necessaria impostarla in ingresso.\\
+ \const{EPOLLHUP} & Si è verificata una condizione di hung-up.\\
+ \const{EPOLLET} & Imposta la notifica in modalità \textit{edge
+ triggered} per il file descriptor associato.\\
+ \const{EPOLLONESHOT}& Imposta la modalità \textit{one-shot} per il file
+ descriptor associato.\footnotemark\\
+ \hline
+ \end{tabular}
+ \caption{Costanti che identificano i bit del campo \param{events} di
+ \struct{epoll\_event}.}
+ \label{tab:epoll_events}
+\end{table}
+
+\footnotetext{questa modalità è disponibile solo a partire dal kernel 2.6.2.}
+
+Le modalità di utilizzo di \textit{epoll} prevedano che si definisca qual'è
+l'insieme dei file descriptor da tenere sotto controllo tramite un certo
+\textit{epoll descriptor} \param{epfd} attraverso una serie di chiamate a
+\const{EPOLL\_CTL\_ADD}.\footnote{un difetto dell'interfaccia è che queste
+ chiamate devono essere ripetute per ciascun file descriptor, incorrendo in
+ una perdita di prestazioni qualora il numero di file descriptor sia molto
+ grande; per questo è stato proposto di introdurre come estensione una
+ funzione \func{epoll\_ctlv} che consenta di effettuare con una sola chiamata
+ le impostazioni per un blocco di file descriptor.} L'uso di
+\const{EPOLL\_CTL\_MOD} consente in seguito di modificare le modalità di
+osservazione di un file descriptor che sia già stato aggiunto alla lista di
+osservazione.
+
+Le impostazioni di default prevedono che la notifica degli eventi richiesti
+sia effettuata in modalità \textit{level triggered}, a meno che sul file
+descriptor non si sia impostata la modalità \textit{edge triggered},
+registrandolo con \const{EPOLLET} attivo nel campo \var{events}. Si tenga
+presente che è possibile tenere sotto osservazione uno stesso file descriptor
+su due \textit{epoll descriptor} diversi, ed entrambi riceveranno le
+notifiche, anche se questa pratica è sconsigliata.
+
+Qualora non si abbia più interesse nell'osservazione di un file descriptor lo
+si può rimuovere dalla lista associata a \param{epfd} con
+\const{EPOLL\_CTL\_DEL}; si tenga conto inoltre che i file descriptor sotto
+osservazione che vengono chiusi sono eliminati dalla lista automaticamente e
+non è necessario usare \const{EPOLL\_CTL\_DEL}.
+
+Infine una particolare modalità di notifica è quella impostata con
+\const{EPOLLONESHOT}: a causa dell'implementazione di \textit{epoll} infatti
+quando si è in modalità \textit{edge triggered} l'arrivo in rapida successione
+di dati in blocchi separati\footnote{questo è tipico con i socket di rete, in
+ quanto i dati arrivano a pacchetti.} può causare una generazione di eventi
+(ad esempio segnalazioni di dati in lettura disponibili) anche se la
+condizione è già stata rilevata.\footnote{si avrebbe cioè una rottura della
+ logica \textit{edge triggered}.}
+
+Anche se la situazione è facile da gestire, la si può evitare utilizzando
+\const{EPOLLONESHOT} per impostare la modalità \textit{one-shot}, in cui la
+notifica di un evento viene effettuata una sola volta, dopo di che il file
+descriptor osservato, pur restando nella lista di osservazione, viene
+automaticamente disattivato,\footnote{la cosa avviene contestualmente al
+ ritorno di \func{epoll\_wait} a causa dell'evento in questione.} e per
+essere riutilizzato dovrà essere riabilitato esplicitamente con una successiva
+chiamata con \const{EPOLL\_CTL\_MOD}.
+
+Una volta impostato l'insieme di file descriptor che si vogliono osservare con
+i relativi eventi, la funzione che consente di attendere l'occorrenza di uno
+di tali eventi è \funcd{epoll\_wait}, il cui prototipo è:
+\begin{prototype}{sys/epoll.h}
+ {int epoll\_wait(int epfd, struct epoll\_event * events, int maxevents, int
+ timeout)}
+
+ Attende che uno dei file descriptor osservati sia pronto.
+
+ \bodydesc{La funzione restituisce il numero di file descriptor pronti in
+ caso di successo o $-1$ in caso di errore, nel qual caso \var{errno}
+ assumerà uno dei valori:
+ \begin{errlist}
+ \item[\errcode{EBADF}] il file descriptor \param{epfd} non è valido.
+ \item[\errcode{EFAULT}] il puntatore \param{events} non è valido.
+ \item[\errcode{EINTR}] la funzione è stata interrotta da un segnale prima
+ della scadenza di \param{timeout}.
+ \item[\errcode{EINVAL}] il file descriptor \param{epfd} non è stato ottenuto
+ con \func{epoll\_create}, o \param{maxevents} non è maggiore di zero.
+ \end{errlist}
+}
+\end{prototype}
+
+La funzione si blocca in attesa di un evento per i file descriptor registrati
+nella lista di osservazione di \param{epfd} fino ad un tempo massimo
+specificato in millisecondi tramite l'argomento \param{timeout}. Gli eventi
+registrati vengono riportati in un vettore di strutture \struct{epoll\_event}
+(che deve essere stato allocato in precedenza) all'indirizzo indicato
+dall'argomento \param{events}, fino ad un numero massimo di eventi impostato
+con l'argomento \param{maxevents}.
+
+La funzione ritorna il numero di eventi rilevati, o un valore nullo qualora
+sia scaduto il tempo massimo impostato con \param{timeout}. Per quest'ultimo,
+oltre ad un numero di millisecondi, si può utilizzare il valore nullo, che
+indica di non attendere e ritornare immediatamente,\footnote{anche in questo
+ caso il valore di ritorno sarà nullo.} o $-1$, che indica un'attesa
+indefinita. L'argomento \param{maxevents} dovrà invece essere sempre un intero
+positivo.
+
+Come accennato la funzione restituisce i suoi risultati nel vettore di
+strutture \struct{epoll\_event} puntato da \param{events}; in tal caso nel
+campo \param{events} di ciascuna di esse saranno attivi i flag relativi agli
+eventi accaduti, mentre nel campo \var{data} sarà restituito il valore che era
+stato impostato (per il file descriptor per cui si è verificato l'evento)
+quando questo era stato registrato con le operazioni \const{EPOLL\_CTL\_MOD} o
+\const{EPOLL\_CTL\_ADD}.
+
+Si ricordi che le occasioni per cui \func{epoll\_wait} ritorna dipendono da
+come si è impostata la modalità di osservazione (se \textit{level triggered} o
+\textit{edge triggered}) del singolo file descriptor. L'interfaccia assicura
+che se arrivano più eventi fra due chiamate successive ad \func{epoll\_wait}
+questi vengano combinati. Inoltre qualora su di esso fossero presenti eventi
+non ancora notificati, e si effettuasse una modifica dell'osservazione con
+\const{EPOLL\_CTL\_MOD} questi verrebbero riletti alla luce delle modifiche.
+
+Si tenga presente infine che con l'uso della modalità \textit{edge triggered}
+il ritorno di \func{epoll\_wait} indica un file descriptor è pronto e resterà
+tale fintanto che non si sono completamente esaurite le operazioni su di esso,
+questo può essere rilevato con un errore di \errcode{EAGAIN} in una
+\func{read} o una \func{write},\footnote{è opportuno ricordare ancora una
+ volta che l'uso dell'I/O multiplexing richiede di operare sui file in
+ modalità non bloccante.} ma anche con il fatto che sono stati restituiti
+meno dati di quelli richiesti.
+
+Come per le precedenti \func{select} e \func{poll}, essendo queste funzioni
+utiilizzate prevalentemente con i server di rete, tratteremo degli esempi del
+loro più avanti, nella trattazione dei socket, ed in particolare in
+sez.~\ref{sec:TCP_sock_multiplexing}.
+
+
+\itindend{epoll}
projects / gapil.git / blobdiff