linux epoll 模型详解

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。并且，在linux/posix_types.h头文件有这样的声明：

#define __FD_SETSIZE    1024

表示select最多同时监听1024个fd，当然，可以通过修改头文件再重编译内核来扩大这个数目，但这似乎并不治本。

 

epoll的接口非常简单，一共就三个函数：

1. 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。

 

2. 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，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

 

3. 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。

 

 

从man手册中，得到ET和LT的具体描述如下

 

EPOLL事件有两种模型：

Edge Triggered (ET)  边缘触发只有数据到来，才触发，不管缓存区中是否还有数据。

Level Triggered (LT)  水平触发只要有数据都会触发。

 

假如有这样一个例子：

1. 我们已经把一个用来从管道中读取数据的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符

2. 这个时候从管道的另一端被写入了2KB的数据

3. 调用epoll_wait(2)，并且它会返回RFD，说明它已经准备好读取操作

4. 然后我们读取了1KB的数据

5. 调用epoll_wait(2)......

 

Edge Triggered 工作模式：

如果我们在第1步将RFD添加到epoll描述符的时候使用了EPOLLET标志，那么在第5步调用epoll_wait(2)之后将有可能会挂起，因为剩余的数据还存在于文件的输入缓冲区内，而且数据发出端还在等待一个针对已经发出数据的反馈信息。只有在监视的文件句柄上发生了某个事件的时候 ET 工作模式才会汇报事件。因此在第5步的时候，调用者可能会放弃等待仍在存在于文件输入缓冲区内的剩余数据。在上面的例子中，会有一个事件产生在RFD句柄上，因为在第2步执行了一个写操作，然后，事件将会在第3步被销毁。因为第4步的读取操作没有读空文件输入缓冲区内的数据，因此我们在第5步调用 epoll_wait(2)完成后，是否挂起是不确定的。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。最好以下面的方式调用ET模式的epoll接口，在后面会介绍避免可能的缺陷。

   i    基于非阻塞文件句柄

   ii   只有当read(2)或者write(2)返回EAGAIN时才需要挂起，等待。但这并不是说每次read()时都需要循环读，直到读到产生一个EAGAIN才认为此次事件处理完成，当read()返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时，就可以确定此时缓冲中已没有数据了，也就可以认为此事读事件已处理完成。

 

Level Triggered 工作模式

相反的，以LT方式调用epoll接口的时候，它就相当于一个速度比较快的poll(2)，并且无论后面的数据是否被使用，因此他们具有同样的职能。因为即使使用ET模式的epoll，在收到多个chunk的数据的时候仍然会产生多个事件。调用者可以设定EPOLLONESHOT标志，在 epoll_wait(2)收到事件后epoll会与事件关联的文件句柄从epoll描述符中禁止掉。因此当EPOLLONESHOT设定后，使用带有 EPOLL_CTL_MOD标志的epoll_ctl(2)处理文件句柄就成为调用者必须作的事情。

然后详细解释ET, LT:

LT(level triggered)是缺省的工作方式，并且同时支持block和no-block socket.在这种做法中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的，所以，这种模式编程出错误可能性要小一点。传统的select/poll都是这种模型的代表．

ET(edge-triggered)是高速工作方式，只支持no-block socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了(比如，你在发送，接收或者接收请求，或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK 错误）。但是请注意，如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪)，内核不会发送更多的通知(only once),不过在TCP协议中，ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark确认（这句话不理解）。

 

在许多测试中我们会看到如果没有大量的idle -connection或者dead-connection，epoll的效率并不会比select/poll高很多，但是当我们遇到大量的idle- connection(例如WAN环境中存在大量的慢速连接)，就会发现epoll的效率大大高于select/poll。（未测试）

 

另外，当使用epoll的ET模型来工作时，当产生了一个EPOLLIN事件后，

读数据的时候需要考虑的是当recv()返回的大小如果等于请求的大小，那么很有可能是缓冲区还有数据未读完，也意味着该次事件还没有处理完，所以还需要再次读取：

while(rs)

{

  buflen = recv(activeevents[i].data.fd, buf, sizeof(buf), 0);

  if(buflen < 0)

  {

    // 由于是非阻塞的模式,所以当errno为EAGAIN时,表示当前缓冲区已无数据可读

    // 在这里就当作是该次事件已处理处.

    if(errno == EAGAIN)

     break;

    else

     return;

   }

   else if(buflen == 0)

   {

     // 这里表示对端的socket已正常关闭.

   }

   if(buflen == sizeof(buf)

     rs = 1;   // 需要再次读取

   else

     rs = 0;

}

还有，假如发送端流量大于接收端的流量(意思是epoll所在的程序读比转发的socket要快),由于是非阻塞的socket,那么send()函数虽然返回,但实际缓冲区的数据并未真正发给接收端,这样不断的读和发，当缓冲区满后会产生EAGAIN错误(参考man send),同时,不理会这次请求发送的数据.所以,需要封装socket_send()的函数用来处理这种情况,该函数会尽量将数据写完再返回，返回-1表示出错。在socket_send()内部,当写缓冲已满(send()返回-1,且errno为EAGAIN),那么会等待后再重试.这种方式并不很完美,在理论上可能会长时间的阻塞在socket_send()内部,但暂没有更好的办法.

 

ssize_t socket_send(int sockfd, const char* buffer, size_t buflen)

{

  ssize_t tmp;

  size_t total = buflen;

  const char *p = buffer;

  while(1)

  {

    tmp = send(sockfd, p, total, 0);

    if(tmp < 0)

    {

      // 当send收到信号时,可以继续写,但这里返回-1.

      if(errno == EINTR)

        return -1;

      // 当socket是非阻塞时,如返回此错误,表示写缓冲队列已满,

      // 在这里做延时后再重试.

      if(errno == EAGAIN)

      {

        usleep(1000);

        continue;

      }

      return -1;

    }

    if((size_t)tmp == total)

      return buflen;

    total -= tmp;

    p += tmp;

  }

 

  return tmp;

}

 

 

 

 

 

 

 

代码：

#include <iostream>

#include <sys/socket.h>

#include <sys/epoll.h>

#include <netinet/in.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <fcntl.h>

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

#include <pthread.h>

#include <errno.h>

 

#define MAXLINE 10

 

#define OPEN_MAX 100

 

#define LISTENQ 20

 

#define SERV_PORT 5555

 

#define INFTIM 1000

 

//线程池任务队列结构体

 

struct task

{

         int fd; //需要读写的文件描述符

         struct task *next; //下一个任务

};

 

//用于读写两个的两个方面传递参数

struct user_data

{

         int fd;

         unsigned int n_size;

         char line[MAXLINE];

};

 

//线程的任务函数

void * readtask(void *args);

void * writetask(void *args);

//声明epoll_event结构体的变量,ev用于注册事件,数组用于回传要处理的事件

struct epoll_event ev, events[20];

int epfd;

pthread_mutex_t mutex;

pthread_cond_t cond1;

struct task *readhead = NULL, *readtail = NULL, *writehead = NULL;

void setnonblocking(int sock)

{

         int opts;

         opts = fcntl(sock, F_GETFL);

         if (opts < 0)

         {

                   perror("fcntl(sock,GETFL)");

                   exit(1);

         }

         opts = opts | O_NONBLOCK;

         if (fcntl(sock, F_SETFL, opts) < 0)

         {

                   perror("fcntl(sock,SETFL,opts)");

                   exit(1);

         }

}

int main()

{

         int i, maxi, listenfd, connfd, sockfd, nfds;

         pthread_t tid1, tid2;

 

         struct task *new_task = NULL;

         struct user_data *rdata = NULL;

         socklen_t clilen;

 

         pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

         pthread_cond_init(&cond1, NULL);

         //初始化用于读线程池的线程

 

         pthread_create(&tid1, NULL, readtask, NULL);

         pthread_create(&tid2, NULL, readtask, NULL);

 

         //生成用于处理accept的epoll专用的文件描述符

         epfd = epoll_create(256);

 

         struct sockaddr_in clientaddr;

         struct sockaddr_in serveraddr;

         listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

         //把socket设置为非阻塞方式

         setnonblocking(listenfd);

         //设置与要处理的事件相关的文件描述符

         ev.data.fd = listenfd;

         //设置要处理的事件类型

         ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;

         //注册epoll事件

         epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev);

         bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr));

         serveraddr.sin_family = AF_INET;

         char *local_addr = "200.200.200.222";

         inet_aton(local_addr, &(serveraddr.sin_addr));//htons(SERV_PORT);

         serveraddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

         bind(listenfd, (sockaddr *) &serveraddr, sizeof(serveraddr));

         listen(listenfd, LISTENQ);

         maxi = 0;

         for (;;)

         {

                   //等待epoll事件的发生

                   nfds = epoll_wait(epfd, events, 20, 500);

                   //处理所发生的所有事件

                   for (i = 0; i < nfds; ++i)

                   {

                            if (events[i].data.fd == listenfd)

                            {

                                     connfd = accept(listenfd, (sockaddr *) &clientaddr, &clilen);

                                     if (connfd < 0)

                                     {

                                               perror("connfd<0");

                                               exit(1);

                                     }

                                     setnonblocking(connfd);

                                     char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr);

                                     std::cout << "connec_ from >>" << str << std::endl;

                                     //设置用于读操作的文件描述符

                                     ev.data.fd = connfd;

                                     //设置用于注测的读操作事件

                                     ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;

                                     //注册ev

                                     epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &ev);

                            } else

                                     if (events[i].events & EPOLLIN)

                                     {

                                               printf("reading!/n");

                                               if ((sockfd = events[i].data.fd) < 0) continue;

                                               new_task = new task();

                                               new_task->fd = sockfd;

                                               new_task->next = NULL;

                                               //添加新的读任务

                                               pthread_mutex_lock(&mutex);

                                               if (readhead == NULL)

                                               {

                                                        readhead = new_task;

                                                        readtail = new_task;

                                               } else

                                               {

                                                        readtail->next = new_task;

                                                        readtail = new_task;

                                               }

                                               //唤醒所有等待cond1条件的线程

                                               pthread_cond_broadcast(&cond1);

                                               pthread_mutex_unlock(&mutex);

                                     } else

                                               if (events[i].events & EPOLLOUT)

                                               {

                                                        rdata = (struct user_data *) events[i].data.ptr;

                                                        sockfd = rdata->fd;

                                                        write(sockfd, rdata->line, rdata->n_size);

                                                        delete rdata;

                                                        //设置用于读操作的文件描述符

                                                        ev.data.fd = sockfd;

                                                        //设置用于注测的读操作事件

                                                        ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;

                                                        //修改sockfd上要处理的事件为EPOLIN

                                                        epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, sockfd, &ev);

                                               }

                   }

         }

}

void * readtask(void *args)

{

         int fd = -1;

         unsigned int n;

         //用于把读出来的数据传递出去

         struct user_data *data = NULL;

         while (1)

         {

                   pthread_mutex_lock(&mutex);

                   //等待到任务队列不为空

                   while (readhead == NULL)

                            pthread_cond_wait(&cond1, &mutex);

                   fd = readhead->fd;

                   //从任务队列取出一个读任务

                   struct task *tmp = readhead;

                   readhead = readhead->next;

                   delete tmp;

                   pthread_mutex_unlock(&mutex);

                   data = new user_data();

                   data->fd = fd;

                   if ((n = read(fd, data->line, MAXLINE)) < 0)

                   {

                            if (errno == ECONNRESET)

                            {

                                     close(fd);

                            } else

                            std::cout << "readline error" << std::endl;

                            if (data != NULL) delete data;

                   } else

                            if (n == 0)

                            {

                                     close(fd);

                                     printf("Client close connect!/n");

                                     if (data != NULL) delete data;

                            } else

                            {

                                     data->n_size = n;

                                     //设置需要传递出去的数据

                                     ev.data.ptr = data;

                                     //设置用于注测的写操作事件

                                     ev.events = EPOLLOUT | EPOLLET;

                                     //修改sockfd上要处理的事件为EPOLLOUT

                                     epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev);

                            }

         }

}