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。

int res = 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。

int epoll_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。

int epoll_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。

int epoll_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. 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。

//   // a simple echo server using epoll in linux  //   // 2009-11-05  // 2013-03-22:修改了几个问题，1是/n格式问题，2是去掉了原代码不小心加上的ET模式;// 本来只是简单的示意程序，决定还是加上 recv/send时的buffer偏移// by sparkling  //   #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 <errno.h>  #include <iostream>  using namespace std;  #define MAX_EVENTS 500  struct myevent_s  {      int fd;      void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);      int events;      void *arg;      int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in      char buff[128]; // recv data buffer      int len, s_offset;      long last_active; // last active time  };  // set event  void EventSet(myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void*), void *arg)  {      ev->fd = fd;      ev->call_back = call_back;      ev->events = 0;      ev->arg = arg;      ev->status = 0;    bzero(ev->buff, sizeof(ev->buff));    ev->s_offset = 0;      ev->len = 0;    ev->last_active = time(NULL);  }  // add/mod an event to epoll  void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev)  {      struct epoll_event epv = {0, {0}};      int op;      epv.data.ptr = ev;      epv.events = ev->events = events;      if(ev->status == 1){          op = EPOLL_CTL_MOD;      }      else{          op = EPOLL_CTL_ADD;          ev->status = 1;      }      if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0)          printf("Event Add failed[fd=%d], evnets[%d]\n", ev->fd, events);      else          printf("Event Add OK[fd=%d], op=%d, evnets[%0X]\n", ev->fd, op, events);  }  // delete an event from epoll  void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev)  {      struct epoll_event epv = {0, {0}};      if(ev->status != 1) return;      epv.data.ptr = ev;      ev->status = 0;    epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);  }  int g_epollFd;  myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd  void RecvData(int fd, int events, void *arg);  void SendData(int fd, int events, void *arg);  // accept new connections from clients  void AcceptConn(int fd, int events, void *arg)  {      struct sockaddr_in sin;      socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);      int nfd, i;      // accept      if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1)      {          if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)          {          }        printf("%s: accept, %d", __func__, errno);          return;      }      do      {          for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)          {              if(g_Events[i].status == 0)              {                  break;              }          }          if(i == MAX_EVENTS)          {              printf("%s:max connection limit[%d].", __func__, MAX_EVENTS);              break;          }          // set nonblocking        int iret = 0;        if((iret = fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0)        {            printf("%s: fcntl nonblocking failed:%d", __func__, iret);            break;        }        // add a read event for receive data          EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]);          EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, &g_Events[i]);      }while(0);      printf("new conn[%s:%d][time:%d], pos[%d]\n", inet_ntoa(sin.sin_addr),             ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active, i);  }  // receive data  void RecvData(int fd, int events, void *arg)  {      struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;      int len;      // receive data    len = recv(fd, ev->buff+ev->len, sizeof(ev->buff)-1-ev->len, 0);        EventDel(g_epollFd, ev);    if(len > 0)    {        ev->len += len;        ev->buff[len] = '\0';          printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buff);          // change to send event          EventSet(ev, fd, SendData, ev);          EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT, ev);      }      else if(len == 0)      {          close(ev->fd);          printf("[fd=%d] pos[%d], closed gracefully.\n", fd, ev-g_Events);      }      else      {          close(ev->fd);          printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno));      }  }  // send data  void SendData(int fd, int events, void *arg)  {      struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;      int len;      // send data      len = send(fd, ev->buff + ev->s_offset, ev->len - ev->s_offset, 0);    if(len > 0)      {        printf("send[fd=%d], [%d<->%d]%s\n", fd, len, ev->len, ev->buff);        ev->s_offset += len;        if(ev->s_offset == ev->len)        {            // change to receive event            EventDel(g_epollFd, ev);              EventSet(ev, fd, RecvData, ev);              EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, ev);          }    }      else      {          close(ev->fd);          EventDel(g_epollFd, ev);          printf("send[fd=%d] error[%d]\n", fd, errno);      }  }  void InitListenSocket(int epollFd, short port)  {      int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);      fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking      printf("server listen fd=%d\n", listenFd);      EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVENTS]);      // add listen socket      EventAdd(epollFd, EPOLLIN, &g_Events[MAX_EVENTS]);      // bind & listen      sockaddr_in sin;      bzero(&sin, sizeof(sin));      sin.sin_family = AF_INET;      sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;      sin.sin_port = htons(port);      bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin));      listen(listenFd, 5);  }  int main(int argc, char **argv)  {      unsigned short port = 12345; // default port      if(argc == 2){          port = atoi(argv[1]);      }      // create epoll      g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS);      if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d\n", g_epollFd);      // create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking      InitListenSocket(g_epollFd, port);      // event loop      struct epoll_event events[MAX_EVENTS];      printf("server running:port[%d]\n", port);      int checkPos = 0;      while(1){          // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event          long now = time(NULL);          for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd          {              if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle              if(g_Events[checkPos].status != 1) continue;              long duration = now - g_Events[checkPos].last_active;              if(duration >= 60) // 60s timeout              {                  close(g_Events[checkPos].fd);                  printf("[fd=%d] timeout[%d--%d].\n", g_Events[checkPos].fd, g_Events[checkPos].last_active, now);                  EventDel(g_epollFd, &g_Events[checkPos]);              }          }          // wait for events to happen          int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000);          if(fds < 0){              printf("epoll_wait error, exit\n");              break;          }          for(int i = 0; i < fds; i++){              myevent_s *ev = (struct myevent_s*)events[i].data.ptr;              if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN)) // read event              {                  ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);              }              if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT)) // write event              {                  ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);              }          }      }      // free resource      return 0;  }