IO多路复用之epoll
来源：互联网 发布：linux epoll socket 编辑：程序博客网 时间：2024/06/11 16:59
背景：
在Linux的网络编程中，很长的时间都在使用select来做事件触发。在linux新的内核中，有了一种替换它的机制，就是epoll。
相比于select，epoll最大的好处在于它不会随着监听fd数目的增长而降低效率。因为在内核中的select实现中，它是采用轮询来处理的，轮询的fd数目越多，自然耗时越多。
相对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符限制。
epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。
一、epoll接口
epoll操作过程需要三个接口，分别如下：
#include <sys/epoll.h>int epoll_create(int size);int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout); 首先要调用epoll_create建立一个epoll对象。参数size是内核保证能够正确处理的最大句柄数，多于这个最大数时内核可不保证效果。
epoll_ctl可以操作上面建立的epoll，例如，将刚建立的socket加入到epoll中让其监控，或者把 epoll正在监控的某个socket句柄移出epoll，不再监控它等等。
epoll_wait在调用时，在给定的timeout时间内，当在监控的所有句柄中有事件发生时，就返回用户态的进程。
int epoll_create(int size); 创建一个epoll的句柄，size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。这个参数不同于select()中的第一个参数，给出最大监听的fd+1的值。
需要注意的是，当创建好epoll句柄后，它就是会占用一个fd值，在linux下如果查看/proc/进程id/fd/，是能够看到这个fd的，所以在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽。
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); epoll的事件注册函数，它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件epoll的事件注册函数.
它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件，而是在这里先注册要监听的事件类型。
第一个参数是epoll_create()的返回值，第二个参数表示动作，用三个宏来表示：
EPOLL_CTL_ADD：注册新的fd到epfd中；EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的fd的监听事件；EPOLL_CTL_DEL：从epfd中删除一个fd；第三个参数是需要监听的fd。
第四个参数是告诉内核需要监听什么事，struct epoll_event结构如下：
struct epoll_event { __uint32_t events; /* Epoll events */ epoll_data_t data; /* User data variable */};events可以是以下几个宏的集合：EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写；EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断；EPOLLET： 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout); 等待事件的产生，类似于select()调用。
参数events用来从内核得到事件的集合，maxevents告之内核这个events有多大，这个maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size。
参数timeout是超时时间（毫秒，0会立即返回，-1将不确定，也有说法说是永久阻塞）。该函数返回需要处理的事件数目，如返回0表示已超时。
epoll_wait之后应该是一个循环，遍历所有的事件。
我们调用epoll_wait时就相当于以往调用select/poll，但是这时却不用传递socket句柄给内核，因为内核已经在epoll_ctl中拿到了要监控的句柄列表。
所以，实际上在你调用epoll_ create后，内核就已经在内核态开始准备帮你存储要监控的句柄了，每次调用epoll_ctl只是在往内核的数据结构里塞入新的socket句柄。
在内核里，一切皆文件。所以，epoll向内核注册了一个文件系统，用于存储上述的被监控socket。当你调用epoll_create时，就会在这个虚拟的epoll文件系统里创建一个file结点。当然这个file不是普通文件，它只服务于epoll。
epoll实现机制
epoll在被内核初始化时（操作系统启动），同时会开辟出epoll自己的内核高速cache区，用于安置每一个我们想监控的socket。
这些socket会以红黑树的形式保存在内核cache里，以支持快速的查找、插入、删除。
这个内核高速cache区，就是建立连续的物理内存页，然后在之上建立slab层。
简单的说，就是物理上分配好你想要的size的内存对象，每次使用时都是使用空闲的已分配好的对象。
epoll的高效就在于，当我们调用epoll_ ctl往里塞入百万个句柄时，epoll_ wait仍然可以飞快的返回，并有效的将发生事件的句柄给我们用户。
这是由于我们在调用epoll_ create时，内核除了帮我们在epoll文件系统里建了个file结点，在内核cache里建了个红黑树用于存储以后epoll_ ctl传来的socket外，还会再建立一个list链表，用于存储准备就绪的事件.
当epoll_ wait调用时，仅仅观察这个list链表里有没有数据即可。有数据就返回，没有数据就sleep，等到timeout时间到后即使链表没数据也返回。所以，epoll_wait非常高效。
而且，通常情况下即使我们要监控百万计的句柄，大多一次也只返回很少量的准备就绪句柄而已，所以，epoll_wait仅需要从内核态copy少量的句柄到用户态而已。
那么，这个准备就绪list链表是怎么维护的呢？
当我们执行epoll_ctl时，除了把socket放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上之外，还会给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核，如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。
所以，当一个socket上有数据到了，内核在把网卡上的数据copy到内核中后就来把socket插入到准备就绪链表里了。
如此，一颗红黑树，一张准备就绪句柄链表，少量的内核cache，就帮我们解决了大并发下的socket处理问题。
执行epoll_ create时，创建了红黑树和就绪链表，执行epoll_ ctl时，如果增加socket句柄，则检查在红黑树中是否存在，存在立即返回，不存在则添加到树干上，然后向内核注册回调函数，用于当中断事件来临时向准备就绪链表中插入数据。执行epoll_wait时立刻返回准备就绪链表里的数据即可。
工作模式
epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT（level trigger）和ET（edge trigger）。LT模式是默认模式，LT模式与ET模式的区别如下：
LT模式（水平触发）：
当epoll_ wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时，会再次响应应用程序并通知此事件。
ET模式：
当epoll_ wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次响应应用程序并通知此事件。
ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。
epoll工作在ET模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。
三、代码演示（LT模式）
epoll服务器代码：
#include<stdio.h>#include<sys/socket.h>#include<sys/types.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<netinet/in.h>#include<arpa/inet.h>#include<sys/epoll.h>#define SIZE 64const char* str = "HTTP/1.0 200 OK\r\n\r\n<html><hl>Hello Epoll!</h1></html>\r\n";void Useage(const char* proc){ printf("usage:%s [local_ip] [local_port]\n", proc);}int startup(char* ip, int port){ int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if(sock<0) { perror("sock"); return 2; } int opt = 1; setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt)); struct sockaddr_in local; local.sin_family = AF_INET; local.sin_port = htons(port); local.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip); if(bind(sock, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local))<0) { perror("bind"); return 3; } if(listen(sock, 10) < 0) { perror("sock"); return 4; } return sock;}int main(int argc, char* argv[]){ if(argc != 3) { Useage(argv[0]); return 1; } int listen_sock = startup(argv[1],atoi(argv[2])); printf("fd: %d\n",listen_sock); int eqfd = epoll_create(256); if(eqfd < 0) { perror("epoll_create"); close(listen_sock); return 5; } struct epoll_event ev; ev.events = EPOLLIN; ev.data.fd = listen_sock; epoll_ctl(eqfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_sock, &ev); int nums = -1; struct epoll_event revs[SIZE]; int timeout = -1; while(1) { switch((nums = epoll_wait(eqfd, revs, SIZE, timeout))) { case -1: printf("epoll_wait"); break; case 0: printf("timeout\n"); break; default: { //at least one ev ready int i = 0; for( ; i<nums; i++) { int fd = revs[i].data.fd; if((fd == listen_sock) && (revs[i].events & EPOLLIN)) //listen_sock ready { struct sockaddr_in client; socklen_t len = sizeof(client); int new_sock = accept(listen_sock, (struct sockaddr*)&client, &len); if(new_sock < 0) { perror("accept"); continue; } printf("get a client:[%s, %d]\n", inet_ntoa(client.sin_addr), ntohs(client.sin_port)); ev.events = EPOLLIN; ev.data.fd = new_sock; epoll_ctl(eqfd, EPOLL_CTL_ADD, new_sock, &ev); } else if(fd != listen_sock) { if(revs[i].events & EPOLLIN)//read ready { char buf[1024]; ssize_t s = read(fd, buf, sizeof(buf)-1); if(s>0) { buf[s] = 0; printf("client# %s\n", buf); ev.events = EPOLLOUT; ev.data.fd = fd; epoll_ctl(eqfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev); } else if(s == 0) { printf("client is quit!\n"); close(fd); epoll_ctl(eqfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL); } else { perror("read"); close(fd); epoll_ctl(eqfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL); } } else if(revs[i].events & EPOLLOUT)//write ready { printf("i am writing a str.\n"); write(fd, str, strlen(str)); ev.data.fd = fd; ev.events = EPOLLIN; if(epoll_ctl(eqfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL)<0) { perror("epoll_ctl"); return 3; } close(fd); } else//other ev ready { } } else { } } // break; } break;//default } } return 0;}这次我们通过浏览器访问来测试，要保证我们的windows下的网络地址和linux虚拟机在同一块局域网。
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