I/O 多路复用之 Event Poll

概述

由于 poll() 和 select() 的局限，Linux 2.6内核引入了 event poll(epoll) 机制。虽然 epoll 的实现比 poll() 和 select() 要复杂得多，epoll 解决了前两个存在的基本性能问题，并增加了一些新的特性。

对于poll() 和 select()，每次调用时都需要所有被监听的文件描述符列表。内核必须遍历所有被监视的文件描述符。当这个文件描述符列表变得很大时——包含几百个甚至几千个文件描述符时——每次调用都要遍历列表就变成了规模上的瓶颈。

epoll 把监听注册从实际监听中分离出来，从而解决了这个问题。一个系统调用会初始化 epoll 上下文，另一个从上下文中加入或删除监视的文件描述符，第三个执行真正的事件等待（event wait）。

Event Poll

创建新的 epoll 实例

通过 epoll_create1() 创建 epoll 上下文：

        #include <sys/epoll.h>

        int epoll_create1 ( int  flags);

        /* deprecated. use epoll_create1() in new code */

        int epoll_create (int size);

调用成功时，epoll_create1() 会创建新的 epoll 实例，并返回和该实例关联的文件描述符。这个文件描述符和真正的文件没有关系，仅仅是为了后续调用 epoll 而创建的。参数 flags 支持修改 epoll 行为，当前，只有 EPOLL_CLOEXEC 是个合法的 flag，它表示进程被替换时关闭文件描述符。

出错时，返回 -1，并设置 errno 为下列值之一：

  

EINVAL        参数 flags 非法

EMFILE        用户打开的文件数达到上限

ENFILE        系统打开的文件数达到上限

ENOMEN     内存不足，无法完成本次操作

epoll_create() 是老版本的epoll_create1()的实现，现在已经废弃。它不接受任何标志位。相反地，它接收 size 参数，该参数没有用。size 之前是用于表示要监视的文件描述符个数；现在，内核可以动态获取数据结构的大小，只需要 size 参数大于 0 即可。如果 size 值小于0，会返回 EINVAL。如果应用所运行的系统其Linux版本低于Linux内核2.6.27 以及 glibc 2.9，应该使用老的 epoll_create() 调用。

epoll 的标准调用方式如下：

        int epfd;

        epfd = epoll_create1 (0);

        if (epfd < 0) {

               perror ("epoll_create1");

        }

当完成监视后，epoll_create1() 返回的文件描述符需要通过 close() 调用来关闭。

控制 epoll

epoll_ctl() 函数可以指向的 epoll 上下文中加入或删除文件描述符：

        #include <sys/epoll.h>

        int epoll_ctl (int epfd,

                             int op,

                             int fd,

                             struct epoll_event *event);

头文件<sys/epoll.h>中定义了 epoll event 结构体：

        struct epoll_event {

               __u32 events;           /* events */

               union {

                     void *ptr;

                     int fd;

                     __u32 u32;

                     __u64 u64;

               } data;

         };

epoll_ctl() 调用如果执行成功，会控制和文件描述符 epfd 关联的 epoll 实例。参数 op 指定对 fd 指向的文件所执行的操作。参数 event 进一步描述 epoll 更具体的行为。

以下是参数 op 的有效值：

EPOLL_CTL_ADD        

把文件描述符 fd 所指向的文件添加到 epfd 指定的 epoll 监听实例集中，监听 event 中定义的事件。

EPOLL_CTL_DEL

把文件描述符 fd 所指向的文件从 epfd 指定的 epoll 监听集中删除。

EPOLL_CTL_MOD

使用 event 指定的更新事件修改在已有 fd 上的监听行为。

epoll_events 结构体中的 events 变量列出了在指定文件描述符上要监听的事件。多个监听事件可以通过位或运算同时指定。以下为有效的 events 值：

EPOLLERR

文件出错。即使没有设置，这个事件也是被监听的。

EPOLLET

在监听文件上开启边缘触发(edge-triggered) ,默认是条件触发(level-trigered) 。

EPOLLHUP

文件被挂起。即使没有设置，这个事件也是被监听的。

EPOLLIN

文件未阻塞，可读

EPOLLONESHOT

在事件生成并处理后，文件不会再被监听。必须通过EPOLL_CTL_MOD 指定新的事件掩码，以便重新监听文件。

EPOLLOUT

文件未阻塞，可写。

EPOLLPRI

存在高优先级的带外（out-of-band）数据可读。

event_poll 中的 data 变量是由用户私有使用。当接收到请求的事件后，data 会被返回给用户。通常的用法是把 event.data.fd 设置为 fd，这样可以很容易查看哪个文件描述符触发了事件。

当成功时，epoll_ctl() 返回 0。失败时，返回 -1，并相应设置 errno 为下列值：

EBADF         epfd 不是有效的 epoll 实例，或者 fd 不是有效的文件描述符。

EEXIST       op 值设置为 EPOLL_CTL_ADD, 但是 fd 已经与 epfd 关联。

EINVAL       epfd 不是 epoll 实例， epfd 和 fd 相同， 或 op 无效。

ENOENT      op 值设置为 EPOLL_CTL_MOD 或 EPOLL_CTL_DEL，但是 fd 没有和 epfd 关联。

ENOMEN     没有足够的内存来处理请求。

EPERM         fd 不支持 epoll。

在下面的例子中，在 epoll 实例 epfd 中加入 fd 所指向文件的监听事件，代码如下：

        struct epoll_event event;

        int ret;

        event.data.fd = fd;          /* return the fd to us later (from epoll_wait) */

        event.events = EPOLLIN | EPOLLOUT;

        ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event);

        if (ret) {

               perror("epoll_ctl");

        }

相反，从 epoll 实例epfd中删除在fd上的一个监听事件，代码如下：

        struct epoll_event event;

        int ret;

        ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, &event);

        if (ret) {

               perror("epoll_ctl");

        }

需要注意的是，当 op 设置为 EPOLL_CTL_DEL 时，由于没有提供事件掩码，event参数可能会是NULL。但是，在2.6.9以前的内核版本中，会检查该参数是否非空。为了和老的内核版本保持兼容，必须传递一个有效的非空指针，该指针不能只是声明。内核2.6.9版本修复了这个bug。

等待 epoll 事件

系统调用 epoll_wait() 会等待和指定 epoll 实例关联的文件描述符上的事件：

        #include <sys/epoll.h>

        int epoll_wait(int epfd,

                              struct epoll_event *events,

                              int maxevents,

                              int timeout);

当调用 epoll_wait() 时，等待 epoll 实例 epfd 中的文件 fd 上的事件，时限为 timeout 毫秒。成功时，events 指向描述每个事件的epoll_event结构体的内存，且最多可以有maxevents个事件，返回值是事件数；出错时，返回 -1，并将errno设置为以下值：

EBANF       epfd 是一个无效的文件描述符。

EFAULT     进程对events所指向的内存没有写权限。

EINTR       系统调用在完成前发生信号中断或超时。

EINVAL     epfd 不是有效的epoll实例，或者maxevents值小于或等于0。

如果timeout为0，即使没有事件发生，调用也会立即返回0。如果timeout为 -1，调用将一直等待到有事件发生才返回。

当调用返回时，epoll_event结构体中的events变量描述了发生的事件。data 变量保留了用户在调用epoll_ctl()前的所有内容。

epoll_wait()例子如下：

       

       #define MAX_EVENTS     64

       

       struct epoll_event *events;

       int nr_events, i, epfd;

     

       events = malloc(sizeof(struct epoll_event) * MAX_EVENTS);

       if (!events) {

             perror("malloc");

             return 1;

       }

       

       nr_events = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1);

       if (nr_events < 0) {

              perror("epoll wait");

              free(events);

              return 1;

       }

    

       for (i = 0; i < nr_events; ++i) {

             printf("event = %d on fd = %d\n", events[i].events, events[i].data.fd);

             /* 

             * We now can, per events[i].events, operate on 

             * events[i].data.fd without blocking.

             */

        }

        free (events);