Epoll

一：概念

首先我们来定义流的概念，一个流可以是文件，socket，pipe等等可以进行I/O操作的内核对象。
不管是文件，还是套接字，还是管道，我们都可以把他们看作流。
之后我们来讨论I/O的操作，通过read，我们可以从流中读入数据；通过write，我们可以往流写入数据。现在假定一个情形，我们需要从流中读数据，但是流中还没有数据，（典型的例子为，客户端要从socket读如数据，但是服务器还没有把数据传回来），这时候该怎么办？

· 阻塞。阻塞是个什么概念呢？比如某个时候你在等快递，但是你不知道快递什么时候过来，而且你没有别的事可以干（或者说接下来的事要等快递来了才能做）；那么你可以去睡觉了，因为你知道快递把货送来时一定会给你打个电话（假定一定能叫醒你）。

· 非阻塞忙轮询。接着上面等快递的例子，如果用忙轮询的方法，那么你需要知道快递员的手机号，然后每分钟给他挂个电话：“你到了没？”

很明显一般人不会用第二种做法，不仅显很无脑，浪费话费不说，还占用了快递员大量的时间。
大部分程序也不会用第二种做法，因为第一种方法经济而简单，经济是指消耗很少的CPU时间，如果线程睡眠了，就掉出了系统的调度队列，暂时不会去瓜分CPU宝贵的时间片了。
为了了解阻塞是如何进行的，我们来讨论缓冲区，以及内核缓冲区，最终把I/O事件解释清楚。缓冲区的引入是为了减少频繁I/O操作而引起频繁的系统调用（你知道它很慢的），当你操作一个流时，更多的是以缓冲区为单位进行操作，这是相对于用户空间而言。对于内核来说，也需要缓冲区。
假设有一个管道，进程A为管道的写入方，Ｂ为管道的读出方。

1. 假设一开始内核缓冲区是空的，B作为读出方，被阻塞着。然后首先A往管道写入，这时候内核缓冲区由空的状态变到非空状态，内核就会产生一个事件告诉Ｂ该醒来了，这个事件姑且称之为“缓冲区非空”。

2. 但是“缓冲区非空”事件通知B后，B却还没有读出数据；且内核许诺了不能把写入管道中的数据丢掉这个时候，Ａ写入的数据会滞留在内核缓冲区中，如果内核也缓冲区满了，B仍未开始读数据，最终内核缓冲区会被填满，这个时候会产生一个I/O事件，告诉进程A，你该等等（阻塞）了，我们把这个事件定义为“缓冲区满”。

3. 假设后来Ｂ终于开始读数据了，于是内核的缓冲区空了出来，这时候内核会告诉A，内核缓冲区有空位了，你可以从长眠中醒来了，继续写数据了，我们把这个事件叫做“缓冲区非满”

4. 也许事件Y1已经通知了A，但是A也没有数据写入了，而Ｂ继续读出数据，知道内核缓冲区空了。这个时候内核就告诉B，你需要阻塞了！，我们把这个时间定为“缓冲区空”。

这四个情形涵盖了四个I/O事件，缓冲区满，缓冲区空，缓冲区非空，缓冲区非满（注都是说的内核缓冲区，且这四个术语都是我生造的，仅为解释其原理而造）。这四个I/O事件是进行阻塞同步的根本。（如果不能理解“同步”是什么概念，请学习操作系统的锁，信号量，条件变量等任务同步方面的相关知识）。
然后我们来说说阻塞I/O的缺点。但是阻塞I/O模式下，一个线程只能处理一个流的I/O事件。如果想要同时处理多个流，要么多进程(fork)，要么多线程(pthread_create)，很不幸这两种方法效率都不高。
于是再来考虑非阻塞忙轮询的I/O方式，我们发现我们可以同时处理多个流了（把一个流从阻塞模式切换到非阻塞模式再此不予讨论）：

我们只要不停的把所有流从头到尾问一遍，又从头开始。这样就可以处理多个流了，但这样的做法显然不好，因为如果所有的流都没有数据，那么只会白白浪费CPU。这里要补充一点，阻塞模式下，内核对于I/O事件的处理是阻塞或者唤醒，而非阻塞模式下则把I/O事件交给其他对象（后文介绍的select以及epoll）处理甚至直接忽略。
为了避免CPU空转，可以引进了一个代理（一开始有一位叫做select的代理，后来又有一位叫做poll的代理，不过两者的本质是一样的）。这个代理比较厉害，可以同时观察许多流的I/O事件，在空闲的时候，会把当前线程阻塞掉，当有一个或多个流有I/O事件时，就从阻塞态中醒来，于是我们的程序就会轮询一遍所有的流（于是我们可以把“忙”字去掉了）。代码长这样:

while true {for i in stream[]; {if i has dataread until unavailable}}

于是，如果没有I/O事件产生，我们的程序就会阻塞在select处。但是依然有个问题，我们从select那里仅仅知道了，有I/O事件发生了，但却并不知道是那几个流（可能有一个，多个，甚至全部），我们只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。
但是使用select，我们有O(n)的无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，每一次无差别轮询时间就越长。再次
说了这么多，终于能好好解释epoll了，epoll可以理解为event poll，不同于忙轮询和无差别轮询，epoll之会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们。此时我们对这些流的操作都是有意义的。（复杂度降低到了O(k)，k为产生I/O事件的流的个数，也有认为O(1)的）
在讨论epoll的实现细节之前，先把epoll的相关操作列出：

· epoll_create 创建一个epoll对象，一般epollfd = epoll_create()

· epoll_ctl （epoll_add/epoll_del的合体），往epoll对象中增加/删除某一个流的某一个事件

· epoll_wait(epollfd,...)等待直到注册的事件发生

（注：当对一个非阻塞流的读写发生缓冲区满或缓冲区空，write/read会返回-1，并设置errno=EAGAIN。而epoll只关心缓冲区非满和缓冲区非空事件）。
一个epoll模式的代码大概的样子是：

while true {active_stream[] = epoll_wait(epollfd)for i in active_stream[] {read or write till unavailable}}

二：select和poll多路复用模型

select的缺点：

1. 单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，通常是1024，当然可以更改数量，但由于select采用轮询的方式扫描文件描述符，文件描述符数量越多，性能越差；

2. (在linux内核头文件中，有这样的定义：#define __FD_SETSIZE 1024)

3. 内核 / 用户空间内存拷贝问题，select需要复制大量的句柄数据结构，产生巨大的开销；

4. select返回的是含有整个句柄的数组，应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件；

5. select的触发方式是水平触发，应用程序如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行IO操作，那么之后每次select调用还是会将这些文件描述符通知进程。

相比select模型，poll使用链表保存文件描述符，因此没有了监视文件数量的限制，但其他三个缺点依然存在。

拿select模型为例，假设我们的服务器需要支持100万的并发连接，则在__FD_SETSIZE 为1024的情况下，则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。除了进程间上下文切换的时间消耗外，从内核/用户空间大量的无脑内存拷贝、数组轮询等，是系统难以承受的。因此，基于select模型的服务器程序，要达到10万级别的并发访问，是一个很难完成的任务。

因此，该epoll上场了。

三：epoll多路复用模型实现机制

由于epoll的实现机制与select/poll机制完全不同，上面所说的 select的缺点在epoll上不复存在。

设想一下如下场景：有100万个客户端同时与一个服务器进程保持着TCP连接。而每一时刻，通常只有几百上千个TCP连接是活跃的(事实上大部分场景都是这种情况)。如何实现这样的高并发？

在select/poll时代，服务器进程每次都把这100万个连接告诉操作系统(从用户态复制句柄数据结构到内核态)，让操作系统内核去查询这些套接字上是否有事件发生，轮询完后，再将句柄数据复制到用户态，让服务器应用程序轮询处理已发生的网络事件，这一过程资源消耗较大，因此，select/poll一般只能处理几千的并发连接。

epoll的设计和实现与select完全不同。epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统(文件系统一般用什么数据结构实现？B+树)。把原先的select/poll调用分成了3个部分：

1）调用epoll_create()建立一个epoll对象(在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源)

2）调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接的套接字

3）调用epoll_wait收集发生的事件的连接

如此一来，要实现上面说是的场景，只需要在进程启动时建立一个epoll对象，然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同时，epoll_wait的效率也非常高，因为调用epoll_wait时，并没有一股脑的向操作系统复制这100万个连接的句柄数据，内核也不需要去遍历全部的连接。

四：Linux内核具体的epoll机制实现思路

当某一进程调用epoll_create方法时，Linux内核会创建一个eventpoll结构体，这个结构体中有两个成员与epoll的使用方式密切相关。eventpoll结构体如下所示：

struct eventpoll{    ....    /*红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/    struct rb_root  rbr;    /*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/    struct list_head rdlist;    ....};

每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体，用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。这些事件都会挂载在红黑树中，如此，重复添加的事件就可以通过红黑树而高效的识别出来(红黑树的插入时间效率是lgn，其中n为树的高度)。

而所有添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系，也就是说，当相应的事件发生时会调用这个回调方法。这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback,它会将发生的事件添加到rdlist双链表中。

在epoll中，对于每一个事件，都会建立一个epitem结构体，如下所示：

struct epitem{    struct rb_node  rbn;//红黑树节点    struct list_head    rdllink;//双向链表节点     struct epoll_filefd  ffd;  //事件句柄信息    struct eventpoll *ep;    //指向其所属的eventpoll对象  struct epoll_event event; //期待发生的事件类型}

当调用epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不为空，则把发生的事件复制到用户态，同时将事件数量返回给用户。

epoll数据结构示意图

从上面的讲解可知：通过红黑树和双链表数据结构，并结合回调机制，造就了epoll的高效。

OK，讲解完了Epoll的机理，我们便能很容易掌握epoll的用法了。一句话描述就是：三步曲。

第一步：epoll_create()系统调用。此调用返回一个句柄，之后所有的使用都依靠这个句柄来标识。

第二步：epoll_ctl()系统调用。通过此调用向epoll对象中添加、删除、修改感兴趣的事件，返回0标识成功，返回-1表示失败。

第三部：epoll_wait()系统调用。通过此调用收集收集在epoll监控中已经发生的事件。

最后，附上一个epoll编程实例.

Epoll_server.cpp

/* * FileName: epoll_server.cpp * * Description: this is a epoll server example. * * Version: 1.0 * * Created: 27/10/2015 * * Revision: none * * Author: kay [e-mail] * */#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <sys/epoll.h>#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <sys/fcntl.h>#include <sys/errno.h>#include <sys/unistd.h>#include <netdb.h>#include <arpa/inet.h>#define BUFFER_SIZE 40#define MAX_EVENTS 10#define PORT 8000#define MAX_LOG 5int main(int argc, char* argv[]){// create server socket.int server_socket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(server_socket < 0){perror("create socket.");return -1;}// init and bind.struct sockaddr_in server_addr;memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;server_addr.sin_port = htons(PORT);if(bind(server_socket, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(struct sockaddr)) < 0){perror("bind.");return -1;}// listen.if(listen(server_socket, MAX_LOG) < 0){perror("listen.");return -1;}// create epoll.int epoll_fd = epoll_create(MAX_EVENTS);if(epoll_fd < 0){perror("epoll create failed.");exit(EXIT_FAILURE);}struct epoll_event ev;// epoll event struct.struct epoll_event events[MAX_EVENTS];// event listen queue.ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = server_socket;// register listen event server_socket to epollif(epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, server_socket, &ev) < 0){perror("epoll_ctl:server_socket register failed.");exit(EXIT_FAILURE);}// accept client quest.struct sockaddr_in client_addr;socklen_t sin_size = sizeof(client_addr);char buf[BUFFER_SIZE];while(true){printf("wait...\n");// wait event happen.int nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);if(nfds < 0){perror("start epoll_wait failed.");exit(EXIT_FAILURE);}printf("nfds = %d\n", nfds);for(int i = 0; i < nfds; ++i){if((events[i].events & EPOLLERR) || (events[i].events & EPOLLHUP) || !(events[i].events & EPOLLIN)){perror("epoll error.");close(events[i].data.fd);continue;}if(events[i].data.fd == server_socket)// there is a new connection.{int client_socket = accept(server_socket, (struct sockaddr*)&client_addr, &sin_size);if(client_socket < 0){perror("accept client_socket failed.");exit(EXIT_FAILURE);}struct epoll_event ev_tmp;ev_tmp.events = EPOLLIN;ev_tmp.data.fd = client_socket;if(epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, client_socket, &ev_tmp) < 0){perror("epoll_ctl: client_socket register failed.");exit(EXIT_FAILURE);}printf("accept client %s\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr));}else// there is data.{if(recv(events[i].data.fd, buf, BUFFER_SIZE, 0) < 0){perror("receive from client failed.");exit(EXIT_FAILURE);}printf("receive from client:%s\n", buf);send(events[i].data.fd, "I have received your message.", 30, 0);}}}return 0;}

epoll_client.cpp

/* * FileName: epoll_client.cpp * Description: this is a epoll client example. * * Version: 1.0 * * Created: 27/10/2015 * * Revision: none * * Author: kay [e-mail] * */#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <sys/epoll.h>#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <sys/fcntl.h>#include <sys/errno.h>#include <sys/unistd.h>#include <netdb.h>#include <arpa/inet.h>#define BUFFER_SIZE 40#define MAX_EVENTS 10#define PORT 8000#define MAX_LOG 5int main(int argc, char* argv[]){// init and connect.struct sockaddr_in server_addr;memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");// server ip addr.server_addr.sin_port = htons(PORT);// server port.int client_socket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(client_socket < 0){perror("client socket create failed.");exit(EXIT_FAILURE);}// connect.if(connect(client_socket, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(struct sockaddr)) < 0){perror("connect to server failed.");exit(EXIT_FAILURE);}// listen server.char buf[BUFFER_SIZE];while(true){printf("please input the message:");scanf("%s", buf);// exit.if(strcmp(buf, "q") == 0){break;}// send.send(client_socket, buf, BUFFER_SIZE, 0);// receive message from sever.int len = recv(client_socket, buf, BUFFER_SIZE, 0);printf("receive from server:%s\n", buf);if(len < 0){perror("receive from server failed.");exit(EXIT_FAILURE);}}// close.close(client_socket);return 0;}

【参考】

http://www.cricode.com/3499.html

http://www.zhihu.com/question/20122137/answer/14049112