Linux Epoll介绍和程序实例

1. Epoll是何方神圣？

Epoll可是当前在Linux下开发大规模并发网络程序的热门人选，Epoll 在Linux2.6内核中正式引入，和select相似，其实都I/O多路复用技术而已，并没有什么神秘的。

其实在Linux下设计并发网络程序，向来不缺少方法，比如典型的Apache模型（Process Per Connection，简称PPC），TPC（Thread PerConnection）模型，以及select模型和poll模型，那为何还要再引入Epoll这个东东呢？那还是有得说说的…

2. 常用模型的缺点

如果不摆出来其他模型的缺点，怎么能对比出Epoll的优点呢。

2.1 PPC/TPC模型

这两种模型思想类似，就是让每一个到来的连接一边自己做事去，别再来烦我。只是PPC是为它开了一个进程，而TPC开了一个线程。可是别烦我是有代价的，它要时间和空间啊，连接多了之后，那么多的进程/线程切换，这开销就上来了；因此这类模型能接受的最大连接数都不会高，一般在几百个左右。

2.2 select模型

1. 最大并发数限制，因为一个进程所打开的FD（文件描述符）是有限制的，由FD_SETSIZE设置，默认值是1024/2048，因此Select模型的最大并发数就被相应限制了。自己改改这个FD_SETSIZE？想法虽好，可是先看看下面吧…

2. 效率问题，select每次调用都会线性扫描全部的FD集合，这样效率就会呈现线性下降，把FD_SETSIZE改大的后果就是，大家都慢慢来，什么？都超时了？？！！

3. 内核/用户空间 内存拷贝问题，如何让内核把FD消息通知给用户空间呢？在这个问题上select采取了内存拷贝方法。

2.3 poll模型

基本上效率和select是相同的，select缺点的2和3它都没有改掉。

3. Epoll的提升

把其他模型逐个批判了一下，再来看看Epoll的改进之处吧，其实把select的缺点反过来那就是Epoll的优点了。

3.1. Epoll没有最大并发连接的限制，上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2048, 一般来说这个数目和系统内存关系很大，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。

3.2. 效率提升，Epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接，而跟连接总数无关，因此在实际的网络环境中，Epoll的效率就会远远高于select和poll。

3.3. 内存拷贝，Epoll在这点上使用了“共享内存”，这个内存拷贝也省略了。

 

 

4. Epoll为什么高效

Epoll的高效和其数据结构的设计是密不可分的，这个下面就会提到。

首先回忆一下select模型，当有I/O事件到来时，select通知应用程序有事件到了快去处理，而应用程序必须轮询所有的FD集合，测试每个FD是否有事件发生，并处理事件；代码像下面这样：

int res = select(maxfd+1, &readfds, NULL, NULL, 120);

if(res > 0)

{

    for(int i = 0; i < MAX_CONNECTION; i++)

    {

        if(FD_ISSET(allConnection[i],&readfds))

        {

            handleEvent(allConnection[i]);

        }

    }

}

// if(res == 0) handle timeout, res < 0 handle error

 

Epoll不仅会告诉应用程序有I/0事件到来，还会告诉应用程序相关的信息，这些信息是应用程序填充的，因此根据这些信息应用程序就能直接定位到事件，而不必遍历整个FD集合。

intres = epoll_wait(epfd, events, 20, 120);

for(int i = 0; i < res;i++)

{

    handleEvent(events[n]);

}

5. Epoll关键数据结构

前面提到Epoll速度快和其数据结构密不可分，其关键数据结构就是：

structepoll_event {

    __uint32_t events;      // Epoll events

    epoll_data_t data;      // User datavariable

};

typedef union epoll_data {

    void *ptr;

   int fd;

    __uint32_t u32;

    __uint64_t u64;

} epoll_data_t;

可见epoll_data是一个union结构体,借助于它应用程序可以保存很多类型的信息:fd、指针等等。有了它，应用程序就可以直接定位目标了。

6. 使用Epoll

既然Epoll相比select这么好，那么用起来如何呢？会不会很繁琐啊…先看看下面的三个函数吧，就知道Epoll的易用了。

 

intepoll_create(int size);

生成一个Epoll专用的文件描述符，其实是申请一个内核空间，用来存放你想关注的socket fd上是否发生以及发生了什么事件。size就是你在这个Epoll fd上能关注的最大socket fd数，大小自定，只要内存足够。

intepoll_ctl(int epfd, intop, int fd, structepoll_event *event);

控制某个Epoll文件描述符上的事件：注册、修改、删除。其中参数epfd是epoll_create()创建Epoll专用的文件描述符。相对于select模型中的FD_SET和FD_CLR宏。

intepoll_wait(int epfd,structepoll_event * events,int maxevents,int timeout);

等待I/O事件的发生；参数说明：

epfd:由epoll_create() 生成的Epoll专用的文件描述符；

epoll_event:用于回传代处理事件的数组；

maxevents:每次能处理的事件数；

timeout:等待I/O事件发生的超时值；

返回发生事件数。

相对于select模型中的select函数。

7.epoll的两种工作模式LT/ET

EPOLLLT

完全靠kernelepoll驱动，应用程序只需要处理从epoll_wait返回的fds，应用程序可以根据需要，执行读取/写入操作一次或多次

 

此模式下，系统默认所有的fds都是空闲的，只有epoll_wait通知的fds是忙碌的，所以应用系统只需要处理这些fds就可以了

 

EPOLLET

主要靠应用程序处理fds，应用程序从epoll_wait只能得到哪些fds是由空闲变为忙碌状态。此时应用程序需要自己维护一张fds的表格，把从epoll_wait获得的状态变化信息登记到这张表格。然后应用程序可以选择遍历这张fds的表格，对处于忙碌状态的fds进行操作。

 

当读取/写入操作遇到EAGAIN的错误，就表示这个fd由忙碌状态变为空闲状态，在下一次epoll_wait调用之前如果有数据进来或者这个fd的写缓冲区又空闲了，那么epoll_wait会再次通知应用程序，这个fd从空闲状态变为忙碌状态。

 

此模式下，系统仅仅通知应用程序哪些fds变成了忙碌状态，一旦fd变成忙碌状态，epoll将不再关注这个fd的任何状态信息，直到应用程序通过读写操作触发EAGAIN状态，epoll认为这个fd又变为空闲状态，那么epoll又重新关注这个fd的状态变化。

 

因此EPOLLET比EPOLLLT对应用程序的要求更多，需要程序员设计的部分也更多，看上去EPOLLLT要简单的多。但是如果这里我们要求对fd有超时控制，EPOLLLT需要有额外的fds遍历操作，而EPOLLET本来就需要不断遍历fds，如此看来使用EPOLLET是更好的选择，EPOLLLT才是设计不够完善的小玩具。

 

而且由于epoll_wait每次返回的fds的数量有限，在大并发的模式下，EPOLLLT将非常的繁忙，所有的fds都要在它的队列中产生状态消息，而每次只有其中一部分fds被返回给应用程序。

相对于EPOLLET，只要epoll_wait返回一次fds之后，这些fds就从epoll队列中消除，只有应用程序遇到EAGAIN之后fd才会重新添加到epoll队列，如此看来随着epoll_wait的返回，队列中的fds是在减少的，所以在大并发的系统中，EPOLLET更有优势。但是对程序员的要求也更高。

 

8. 例子程序

下面是一个简单Echo Server的例子程序，麻雀虽小，五脏俱全，还包含了一个简单的超时检查机制，简洁起见没有做错误处理。

1. // 2. // a simple echo server using epoll in linux 3. // 4. // 2009-11-05 5. // by sparkling 6. // 7. #include <sys/socket.h> 8. #include <sys/epoll.h> 9. #include <netinet/in.h> 10. #include <arpa/inet.h> 11. #include <fcntl.h> 12. #include <unistd.h> 13. #include <stdio.h> 14. #include <errno.h> 15. #include <iostream> 16. using namespace std; 17. #define MAX_EVENTS 500 18. struct myevent_s 19. { 20. int fd; 21. void (*call_back)(int fd, int events, void *arg); 22. int events; 23. void *arg; 24. int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in 25. char buff[128]; // recv data buffer 26. int len; 27. long last_active; // last active time 28. }; 29. // set event 30. void EventSet(myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void*), void *arg) 31. { 32. ev->fd = fd; 33. ev->call_back = call_back; 34. ev->events = 0; 35. ev->arg = arg; 36. ev->status = 0; 37. ev->last_active = time(NULL); 38. } 39. // add/mod an event to epoll 40. void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev) 41. { 42. struct epoll_event epv = {0, {0}}; 43. int op; 44. epv.data.ptr = ev; 45. epv.events = ev->events = events; 46. if(ev->status == 1){ 47. op = EPOLL_CTL_MOD; 48. } 49. else{ 50. op = EPOLL_CTL_ADD; 51. ev->status = 1; 52. } 53. if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0) 54. printf("Event Add failed[fd=%d]/n", ev->fd); 55. else 56. printf("Event Add OK[fd=%d]/n", ev->fd); 57. } 58. // delete an event from epoll 59. void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev) 60. { 61. struct epoll_event epv = {0, {0}}; 62. if(ev->status != 1) return; 63. epv.data.ptr = ev; 64. ev->status = 0; 65. epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv); 66. } 67. int g_epollFd; 68. myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd 69. void RecvData(int fd, int events, void *arg); 70. void SendData(int fd, int events, void *arg); 71. // accept new connections from clients 72. void AcceptConn(int fd, int events, void *arg) 73. { 74. struct sockaddr_in sin; 75. socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in); 76. int nfd, i; 77. // accept 78. if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1) 79. { 80. if(errno != EAGAIN && errno != EINTR) 81. { 82. printf("%s: bad accept", __func__); 83. } 84. return; 85. } 86. do 87. { 88. for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++) 89. { 90. if(g_Events[i].status == 0) 91. { 92. break; 93. } 94. } 95. if(i == MAX_EVENTS) 96. { 97. printf("%s:max connection limit[%d].", __func__, MAX_EVENTS); 98. break; 99. } 100. // set nonblocking 101. if(fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK) < 0) break; 102. // add a read event for receive data 103. EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]); 104. EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, &g_Events[i]); 105. printf("new conn[%s:%d][time:%d]/n", inet_ntoa(sin.sin_addr), ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active); 106. }while(0); 107. } 108. // receive data 109. void RecvData(int fd, int events, void *arg) 110. { 111. struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg; 112. int len; 113. // receive data 114. len = recv(fd, ev->buff, sizeof(ev->buff)-1, 0); 115. EventDel(g_epollFd, ev); 116. if(len > 0) 117. { 118. ev->len = len; 119. ev->buff[len] = '/0'; 120. printf("C[%d]:%s/n", fd, ev->buff); 121. // change to send event 122. EventSet(ev, fd, SendData, ev); 123. EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT|EPOLLET, ev); 124. } 125. else if(len == 0) 126. { 127. close(ev->fd); 128. printf("[fd=%d] closed gracefully./n", fd); 129. } 130. else 131. { 132. close(ev->fd); 133. printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s/n", fd, errno, strerror(errno)); 134. } 135. } 136. // send data 137. void SendData(int fd, int events, void *arg) 138. { 139. struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg; 140. int len; 141. // send data 142. len = send(fd, ev->buff, ev->len, 0); 143. ev->len = 0; 144. EventDel(g_epollFd, ev); 145. if(len > 0) 146. { 147. // change to receive event 148. EventSet(ev, fd, RecvData, ev); 149. EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, ev); 150. } 151. else 152. { 153. close(ev->fd); 154. printf("recv[fd=%d] error[%d]/n", fd, errno); 155. } 156. } 157. void InitListenSocket(int epollFd, short port) 158. { 159. int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 160. fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking 161. printf("server listen fd=%d/n", listenFd); 162. EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVENTS]); 163. // add listen socket 164. EventAdd(epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, &g_Events[MAX_EVENTS]); 165. // bind & listen 166. sockaddr_in sin; 167. bzero(&sin, sizeof(sin)); 168. sin.sin_family = AF_INET; 169. sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; 170. sin.sin_port = htons(port); 171. bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin)); 172. listen(listenFd, 5); 173. } 174. int main(int argc, char **argv) 175. { 176. short port = 12345; // default port 177. if(argc == 2){ 178. port = atoi(argv[1]); 179. } 180. // create epoll 181. g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS); 182. if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d/n", g_epollFd); 183. // create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking 184. InitListenSocket(g_epollFd, port); 185. // event loop 186. struct epoll_event events[MAX_EVENTS]; 187. printf("server running:port[%d]/n", port); 188. int checkPos = 0; 189. while(1){ 190. // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event 191. long now = time(NULL); 192. for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd 193. { 194. if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle 195. if(g_Events[checkPos].status != 1) continue; 196. long duration = now - g_Events[checkPos].last_active; 197. if(duration >= 60) // 60s timeout 198. { 199. close(g_Events[checkPos].fd); 200. printf("[fd=%d] timeout[%d--%d]./n", g_Events[checkPos].fd, g_Events[checkPos].last_active, now); 201. EventDel(g_epollFd, &g_Events[checkPos]); 202. } 203. } 204. // wait for events to happen 205. int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000); 206. if(fds < 0){ 207. printf("epoll_wait error, exit/n"); 208. break; 209. } 210. for(int i = 0; i < fds; i++){ 211. myevent_s *ev = (struct myevent_s*)events[i].data.ptr; 212. if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN)) // read event 213. { 214. ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg); 215. } 216. if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT)) // write event 217. { 218. ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg); 219. } 220. } 221. } 222. // free resource 223. return 0; 224. }

 

转载自：

1、http://blog.csdn.net/sparkliang/archive/2009/11/05/4770655.aspx

2、http://blog.sina.com.cn/s/blog_544465b00100bkrj.html