实例浅析epoll的水平触发和边缘触发，以及边缘触发为什么要使用非阻塞IO

一.基本概念                                                         

我们通俗一点讲：

Level_triggered(水平触发)：当被监控的文件描述符上有可读写事件发生时，epoll_wait()会通知处理程序去读写。如果这次没有把数据一次性全部读写完(如读写缓冲区太小)，那么下次调用 epoll_wait()时，它还会通知你在上没读写完的文件描述符上继续读写，当然如果你一直不去读写，它会一直通知你！！！如果系统中有大量你不需要读写的就绪文件描述符，而它们每次都会返回，这样会大大降低处理程序检索自己关心的就绪文件描述符的效率！！！

Edge_triggered(边缘触发)：当被监控的文件描述符上有可读写事件发生时，epoll_wait()会通知处理程序去读写。如果这次没有把数据全部读写完(如读写缓冲区太小)，那么下次调用epoll_wait()时，它不会通知你，也就是它只会通知你一次，直到该文件描述符上出现第二次可读写事件才会通知你！！！这种模式比水平触发效率高，系统不会充斥大量你不关心的就绪文件描述符！！！

阻塞IO：当你去读一个阻塞的文件描述符时，如果在该文件描述符上没有数据可读，那么它会一直阻塞(通俗一点就是一直卡在调用函数那里)，直到有数据可读。当你去写一个阻塞的文件描述符时，如果在该文件描述符上没有空间(通常是缓冲区)可写，那么它会一直阻塞，直到有空间可写。以上的读和写我们统一指在某个文件描述符进行的操作，不单单指真正的读数据，写数据，还包括接收连接accept()，发起连接connect()等操作...

非阻塞IO：当你去读写一个非阻塞的文件描述符时，不管可不可以读写，它都会立即返回，返回成功说明读写操作完成了，返回失败会设置相应errno状态码，根据这个errno可以进一步执行其他处理。它不会像阻塞IO那样，卡在那里不动！！！

二.几种IO模型的触发方式                          

 select(),poll()模型都是水平触发模式，信号驱动IO是边缘触发模式，epoll()模型即支持水平触发，也支持边缘触发，默认是水平触发。

这里我们要探讨epoll()的水平触发和边缘触发，以及阻塞IO和非阻塞IO对它们的影响！！！下面称水平触发为LT，边缘触发为ET。

对于监听的socket文件描述符我们用sockfd代替，对于accept()返回的文件描述符(即要读写的文件描述符)用connfd代替。

我们来验证以下几个内容：

1.水平触发的非阻塞sockfd

2.边缘触发的非阻塞sockfd

3.水平触发的阻塞connfd

4.水平触发的非阻塞connfd

5.边缘触发的阻塞connfd

6.边缘触发的非阻塞connfd

以上没有验证阻塞的sockfd，因为epoll_wait()返回必定是已就绪的连接，设不设置阻塞accept()都会立即返回。例外：UNP里面有个例子，在BSD上，使用select()模型。设置阻塞的监听sockfd时，当客户端发起连接请求，由于服务器繁忙没有来得及accept()，此时客户端自己又断开，当服务器到达accept()时，会出现阻塞。本机测试epoll()模型没有出现这种情况，我们就暂且忽略这种情况！！！

三.验证代码                                                         

文件名：epoll_lt_et.c

  1 /*   2  *url:http://www.cnblogs.com/yuuyuu/p/5103744.html  3  *  4  */  5   6 #include <stdio.h>  7 #include <stdlib.h>  8 #include <string.h>  9 #include <errno.h> 10 #include <unistd.h> 11 #include <fcntl.h> 12 #include <arpa/inet.h> 13 #include <netinet/in.h> 14 #include <sys/socket.h> 15 #include <sys/epoll.h> 16  17 /* 最大缓存区大小 */ 18 #define MAX_BUFFER_SIZE 5 19 /* epoll最大监听数 */ 20 #define MAX_EPOLL_EVENTS 20 21 /* LT模式 */ 22 #define EPOLL_LT 0 23 /* ET模式 */ 24 #define EPOLL_ET 1 25 /* 文件描述符设置阻塞 */ 26 #define FD_BLOCK 0 27 /* 文件描述符设置非阻塞 */ 28 #define FD_NONBLOCK 1 29  30 /* 设置文件为非阻塞 */ 31 int set_nonblock(int fd) 32 { 33     int old_flags = fcntl(fd, F_GETFL); 34     fcntl(fd, F_SETFL, old_flags | O_NONBLOCK); 35     return old_flags; 36 } 37  38 /* 注册文件描述符到epoll，并设置其事件为EPOLLIN(可读事件) */ 39 void addfd_to_epoll(int epoll_fd, int fd, int epoll_type, int block_type) 40 { 41     struct epoll_event ep_event; 42     ep_event.data.fd = fd; 43     ep_event.events = EPOLLIN; 44  45     /* 如果是ET模式，设置EPOLLET */ 46     if (epoll_type == EPOLL_ET) 47         ep_event.events |= EPOLLET; 48  49     /* 设置是否阻塞 */ 50     if (block_type == FD_NONBLOCK) 51         set_nonblock(fd); 52  53     epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ep_event); 54 } 55  56 /* LT处理流程 */ 57 void epoll_lt(int sockfd) 58 { 59     char buffer[MAX_BUFFER_SIZE]; 60     int ret; 61  62     memset(buffer, 0, MAX_BUFFER_SIZE); 63     printf("开始recv()...\n"); 64     ret = recv(sockfd, buffer, MAX_BUFFER_SIZE, 0); 65     printf("ret = %d\n", ret); 66     if (ret > 0) 67         printf("收到消息:%s, 共%d个字节\n", buffer, ret); 68     else 69     { 70         if (ret == 0) 71             printf("客户端主动关闭！！！\n"); 72         close(sockfd); 73     } 74  75     printf("LT处理结束！！！\n"); 76 } 77  78 /* 带循环的ET处理流程 */ 79 void epoll_et_loop(int sockfd) 80 { 81     char buffer[MAX_BUFFER_SIZE]; 82     int ret; 83  84     printf("带循环的ET读取数据开始...\n"); 85     while (1) 86     { 87         memset(buffer, 0, MAX_BUFFER_SIZE); 88         ret = recv(sockfd, buffer, MAX_BUFFER_SIZE, 0); 89         if (ret == -1) 90         { 91             if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) 92             { 93                 printf("循环读完所有数据！！！\n"); 94                 break; 95             } 96             close(sockfd); 97             break; 98         } 99         else if (ret == 0)100         {101             printf("客户端主动关闭请求！！！\n");102             close(sockfd);103             break;104         }105         else106             printf("收到消息:%s, 共%d个字节\n", buffer, ret);107     }108     printf("带循环的ET处理结束！！！\n");109 }110 111 112 /* 不带循环的ET处理流程，比epoll_et_loop少了一个while循环 */113 void epoll_et_nonloop(int sockfd)114 {115     char buffer[MAX_BUFFER_SIZE];116     int ret;117 118     printf("不带循环的ET模式开始读取数据...\n");119     memset(buffer, 0, MAX_BUFFER_SIZE);120     ret = recv(sockfd, buffer, MAX_BUFFER_SIZE, 0);121     if (ret > 0)122     {123         printf("收到消息:%s, 共%d个字节\n", buffer, ret);124     }125     else126     {127         if (ret == 0)128             printf("客户端主动关闭连接！！！\n");129         close(sockfd);130     }131 132     printf("不带循环的ET模式处理结束！！！\n");133 }134 135 /* 处理epoll的返回结果 */136 void epoll_process(int epollfd, struct epoll_event *events, int number, int sockfd, int epoll_type, int block_type)137 {138     struct sockaddr_in client_addr;139     socklen_t client_addrlen;140     int newfd, connfd;141     int i;142 143     for (i = 0; i < number; i++)144     {145         newfd = events[i].data.fd;146         if (newfd == sockfd)147         {148             printf("=================================新一轮accept()===================================\n");149             printf("accept()开始...\n");150 151             /* 休眠3秒，模拟一个繁忙的服务器，不能立即处理accept连接 */152             printf("开始休眠3秒...\n");153             sleep(3);154             printf("休眠3秒结束！！！\n");155 156             client_addrlen = sizeof(client_addr);157             connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addrlen);158             printf("connfd = %d\n", connfd);159 160             /* 注册已链接的socket到epoll，并设置是LT还是ET，是阻塞还是非阻塞 */161             addfd_to_epoll(epollfd, connfd, epoll_type, block_type);162             printf("accept()结束！！！\n");163         }164         else if (events[i].events & EPOLLIN)165         {166             /* 可读事件处理流程 */167 168             if (epoll_type == EPOLL_LT)    169             {170                 printf("============================>水平触发开始...\n");171                 epoll_lt(newfd);172             }173             else if (epoll_type == EPOLL_ET)174             {175                 printf("============================>边缘触发开始...\n");176 177                 /* 带循环的ET模式 */178                 epoll_et_loop(newfd);179 180                 /* 不带循环的ET模式 */181                 //epoll_et_nonloop(newfd);182             }183         }184         else185             printf("其他事件发生...\n");186     }187 }188 189 /* 出错处理 */190 void err_exit(char *msg)191 {192     perror(msg);193     exit(1);194 }195 196 /* 创建socket */197 int create_socket(const char *ip, const int port_number)198 {199     struct sockaddr_in server_addr;200     int sockfd, reuse = 1;201 202     memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));203     server_addr.sin_family = AF_INET;204     server_addr.sin_port = htons(port_number);205 206     if (inet_pton(PF_INET, ip, &server_addr.sin_addr) == -1)207         err_exit("inet_pton() error");208 209     if ((sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)210         err_exit("socket() error");211 212     /* 设置复用socket地址 */213     if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) == -1)214         err_exit("setsockopt() error");215 216     if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1)217         err_exit("bind() error");218 219     if (listen(sockfd, 5) == -1)220         err_exit("listen() error");221 222     return sockfd;223 }224 225 /* main函数 */226 int main(int argc, const char *argv[])227 {228     if (argc < 3)229     {230         fprintf(stderr, "usage:%s ip_address port_number\n", argv[0]);231         exit(1);232     }233 234     int sockfd, epollfd, number;235 236     sockfd = create_socket(argv[1], atoi(argv[2]));237     struct epoll_event events[MAX_EPOLL_EVENTS];238 239     /* linux内核2.6.27版的新函数，和epoll_create(int size)一样的功能，并去掉了无用的size参数 */240     if ((epollfd = epoll_create1(0)) == -1)241         err_exit("epoll_create1() error");242 243     /* 以下设置是针对监听的sockfd，当epoll_wait返回时，必定有事件发生，244      * 所以这里我们忽略罕见的情况外设置阻塞IO没意义，我们设置为非阻塞IO */245 246     /* sockfd：非阻塞的LT模式 */247     addfd_to_epoll(epollfd, sockfd, EPOLL_LT, FD_NONBLOCK);248 249     /* sockfd：非阻塞的ET模式 */250     //addfd_to_epoll(epollfd, sockfd, EPOLL_ET, FD_NONBLOCK);251 252    253     while (1)254     {255         number = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EPOLL_EVENTS, -1);256         if (number == -1)257             err_exit("epoll_wait() error");258         else259         {260             /* 以下的LT，ET，以及是否阻塞都是是针对accept()函数返回的文件描述符，即函数里面的connfd */261 262             /* connfd:阻塞的LT模式 */263             epoll_process(epollfd, events, number, sockfd, EPOLL_LT, FD_BLOCK);264 265             /* connfd:非阻塞的LT模式 */266             //epoll_process(epollfd, events, number, sockfd, EPOLL_LT, FD_NONBLOCK);267 268             /* connfd:阻塞的ET模式 */269             //epoll_process(epollfd, events, number, sockfd, EPOLL_ET, FD_BLOCK);270 271             /* connfd:非阻塞的ET模式 */272             //epoll_process(epollfd, events, number, sockfd, EPOLL_ET, FD_NONBLOCK);273         }274     }275 276     close(sockfd);277     return 0;278 }

 

四.验证                                                                

1.验证水平触发的非阻塞sockfd，关键代码在247行。编译运行

 代码里面休眠了3秒，模拟繁忙服务器不能很快处理accept()请求。这里，我们开另一个终端快速用5个连接连到服务器：

 

我们再看看服务器的反映，可以看到5个终端连接都处理完成了，返回的新connfd依次为5,6,7,8,9：

 

上面测试完毕后，我们批量kill掉那5个客户端，方便后面的测试：

1 $:for i in {1..5};do kill %$i;done

 

2.边缘触发的非阻塞sockfd，我们注释掉247行的代码，放开250行的代码。编译运行后，用同样的方法，快速创建5个客户端连接，或者测试5个后再测试10个。再看服务器的反映，5个客户端只处理了2个。说明高并发时，会出现客户端连接不上的问题：

 

 

3.水平触发的阻塞connfd，我们先把sockfd改回到水平触发，注释250行的代码，放开247行。重点代码在263行。

编译运行后，用一个客户端连接，并发送1-9这几个数：

再看服务器的反映，可以看到水平触发触发了2次。因为我们代码里面设置的缓冲区是5字节，处理代码一次接收不完，水平触发一直触发，直到数据全部读取完毕：

 

4.水平触发的非阻塞connfd。注释263行的代码，放开266行的代码。同上面那样测试，我们可以看到服务器反馈的消息跟上面测试一样。这里我就不再截图。

5.边缘触发的阻塞connfd，注释其他测试代码，放开269行的代码。先测试不带循环的ET模式(即不循环读取数据，跟水平触发读取一样)，注释178行的代码，放开181行的代码。

编译运行后，开启一个客户端连接，并发送1-9这几个数字，再看看服务器的反映，可以看到边缘触发只触发了一次，只读取了5个字节：

我们继续在刚才的客户端发送一个字符a，告诉epoll_wait()，有新的可读事件发生：

再看看服务器，服务器又触发了一次新的边缘触发，并继续读取上次没读完的6789加一个回车符：

这个时候，如果继续在刚刚的客户端再发送一个a，客户端这个时候就会读取上次没读完的a加上次的回车符，2个字节，还剩3个字节的缓冲区就可以读取本次的a加本次的回车符共4个字节：

我们可以看到，阻塞的边缘触发，如果不一次性读取一个事件上的数据，会干扰下一个事件！！！

 

接下来，我们就一次性读取数据，即带循环的ET模式。注意：我们这里测试的还是边缘触发的阻塞connfd，只是换个读取数据的方式。

注释181行代码，放开178的代码。编译运行，依然用一个客户端连接，发送1-9。看看服务器，可以看到数据全部读取完毕：

 

细心的朋友肯定发现了问题，程序没有输出"带循环的ET处理结束"，是因为程序一直卡在了88行的recv()函数上，因为是阻塞IO，如果没数据可读，它会一直等在那里，直到有数据可读。如果这个时候，用另一个客户端去连接，服务器不能受理这个新的客户端！！！

 

6.边缘触发的非阻塞connfd，不带循环的ET测试同上面一样，数据不会读取完。这里我们就只需要测试带循环的ET处理，即正规的边缘触发用法。注释其他测试代码，放开272行代码。编译运行，用一个客户端连接，并发送1-9。再观测服务器的反映，可以看到数据全部读取完毕，处理函数也退出了，因为非阻塞IO如果没有数据可读时，会立即返回，并设置error，这里我们根据EAGAIN和EWOULDBLOCK来判断数据全部读取完毕了，可以退出循环了：

这个时候，我们用另一个客户端去连接，服务器依然可以正常接收请求：

 

五.总结                                                                  

1.对于监听的sockfd，最好使用水平触发模式，边缘触发模式会导致高并发情况下，有的客户端会连接不上。如果非要使用边缘触发，网上有的方案是用while来循环accept()。

2.对于读写的connfd，水平触发模式下，阻塞和非阻塞效果都一样，不过为了防止特殊情况，还是建议设置非阻塞。

3.对于读写的connfd，边缘触发模式下，必须使用非阻塞IO，并要一次性全部读写完数据。