《unix网络编程》（16）epoll函数

本文主要是介绍《unix网络编程》（16）epoll函数，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

几种模型的比较

关于PPC、TPC的问题、I/O复用的由来、epoll和select的详细对比参考文章：高性能网络编程5--IO复用与并发编程

1 PPC、TPC模型

传统的网络服务器是用一个单独的线程或进程处理每一个连接。对于高性能的应用，这需要在某一个时刻同时处理大量的客户请求，这种模式效率不高，因为(Process Per Connection,PPC), TPC(Thread Per Connection)模型一次处理许多客户连接，那么随着连接客户的增多，那么资源使用、进程/线程环境切换等的时空花销就会很大。

2 select 模型

参看文章《unix网络编程》（13)select、shutdown函数《unix网络编程》（15）poll函数以及使用poll的客户服务器程序
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，因此 Select 模型的最大并发数就被相应限制了。如果要改变FD_SIZE的大小需要重新编译内核。

int select(int maxfdp1, fd_set *readfds, fd_set *writefds,  fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

2) 效率问题， select 每次调用都会 线性扫描全部的 FD 集合，花费时间为O(n)，这样效率就会呈现线性下降，即使将 FD_SETSIZE 改大其性能也会很差。
3) 内核/用户空间内存拷贝问题， select 采取了内存拷贝方法让内核把 FD 消息通知给用户空间。

4）事件集，select的参数类型fd_set没有将文件描述符和事件绑定，它仅仅是一个文件描述符的集合，因此select需要提供3个“值-结果”类型的参数分别传入和输出可读、可写和异常等事件（调用该函数时，指定所关心的描述符的值，函数返回时，结果将指示哪些描述符已经就绪），也就是select函数会修改指针readset、writeset、exceptset所指向的描述符集。

一方面，使得select不能处理更多类型的事件，所能处理的事件类型只有读写异常三类；

另一方面，描述符集内任何与未就绪描述符对应的位返回时都会被清空，因此每次重新调用select时，都需要再次把所有的描述符集内所关心的位置为1。

5）select函数的定时是有函数的最后一个参数决定的，它是一个timeval结构体，用于指定这段时间的秒数和微秒数。

//timeval结构:
struct timeval
{long    tv_sec;	    /* seconds */long	tv_usec;    /* microseconds */
};

3 poll模型

1）最大并发数限制，poll的第二个参数nfds是第一个参数指示的结构数据的元素个数，这个nfds并没有select的限制，它只受限于系统的内存空间（可以达到系统所允许打开的最大描述符的个数，即65535）。

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

2）效率问题，效率和select类似。

3）内核/用户空间内存拷贝问题，和select类似。

4）事件集，poll比select要“聪明”，它将描述符和事件定义在一起，任何事件都被统一处理，编程接口简洁许多。

一方面，poll可以监听的事件类型就可以更细分为很多种（参考文章：poll监听的事件类型）。

另一方面，而且内核每次修改的是pollfd结构体的revents成员，而events成员不变，因此下次重新调用poll无需重置pollfd类型中的事件集参数（避免了类似于select使用的的“值-结果”参数）。

5）poll的定时也是由函数的最后一个参数给出，但是它是一个int类型（指定函数要等待的毫秒数），而不是timeval结构体。

此外，从当今的可移植性角度考虑，支持select的系统比支持poll的系统要多。

epoll的突破

优点

epoll是什么？按照man手册的说法：是为处理大批量句柄而作了改进的poll。当然，这不是2.6内核才有的，它是在2.5.44内核中被引进的(epoll(4) is a new API introduced in Linux kernel 2.5.44)，它几乎具备了之前所说的一切优点，被公认为Linux2.6下性能最好的多路I/O就绪通知方法。

（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，具体值可以 cat /proc/sys/fs/file-max[599534] 察看。

（2）效率提升， Epoll最大的优点就在于它基于事件的就绪通知方式：只管“活跃”的连接，而跟连接总数无关，其算法复杂度为O(1)，因此在实际的网络环境中，epoll的效率就会远远高于 select 和 poll 。select和poll都是轮询方式的，每次调用要扫描整个注册文件描述符集合，并将其中就绪描述符返回给用户程序。epoll_wait采用的是回调方式，内核检测到就绪描述符时，将触发回调函数，回调函数就将该文件描述符上对应的事件插入内核就绪队列，不需要轮询。

（3）内存拷贝， Epoll 在这点上使用了“共享内存“，因此没有内存拷贝的开销。

epoll同样只告知那些就绪的文件描述符，而且当我们调用epoll_wait()获得就绪文件描述符时，返回的不是实际的描述符，而是一个代表就绪描述符数量的值，你只需要去epoll指定的一个数组中依次取得相应数量的文件描述符即可，这里也使用了内存映射（mmap）技术，这样便彻底省掉了这些文件描述符在系统调用时复制的开销。
另一个本质的改进在于epoll采用基于事件的就绪通知方式。在select/poll中，进程只有在调用一定的方法后，内核才对所有监视的文件描述符进行扫描，而epoll事先通过epoll_ctl()来注册一个文件描述符，一旦基于某个文件描述符就绪时，内核会采用类似callback的回调机制，迅速激活这个文件描述符，当进程调用epoll_wait()时便得到通知。

5）和poll类似，epoll的定时也是int类型，单位是毫秒。

不足

epoll的局限性在于它在Linux2.6才实现，而其他平台都没有，这与Apache这样的优秀跨平台服务器无法并论。select跨平台性能很好，几乎每个平台都支持。

epoll函数及参数

int epoll_create(int size);
int epoll_create1(int  flags);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); 
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

第一个函数：
对于epoll_create1 的flag参数: 可以设置为0 或EPOLL_CLOEXEC，为0时函数表现与epoll_create一致, EPOLL_CLOEXEC标志与open 时的O_CLOEXEC 标志类似，即进程被替换时会关闭打开的文件描述符。

创建一个epoll的句柄。自从linux2.6.8之后，size参数是被忽略的。需要注意的是，当创建好epoll句柄后，它就是会占用一个fd值，在linux下如果查看/proc/进程id/fd/，是能够看到这个fd的，所以在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽。

第二个函数：

      epoll的事件注册函数，它不同于select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件，而是在这里先注册要监听的事件类型。
                第一个参数是epoll_create()的返回值。
            第二个参数表示动作，用三个宏来表示：
                    EPOLL_CTL_ADD：注册新的fd到epfd中；EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的fd的监听事件；EPOLL_CTL_DEL：从epfd中删除一个fd；
       第三个参数是需要监听的fd。
             第四个参数是告诉内核需要监听什么事，struct epoll_event结构如下：

struct epoll_event
{uint32_t     events;      /* Epoll events */epoll_data_t data;        /* User data variable */
};
typedef union epoll_data
{void        *ptr;int          fd;uint32_t     u32;uint64_t     u64;
} epoll_data_t;

events可以是以下几个宏的集合：
           EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；
           EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写；
           EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；
           EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；
           EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断；
           EPOLLET：将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。
           EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里
第三个函数：

收集在epoll监控的事件中已经发生的事件。参数events是分配好的epoll_event结构体数组，epoll将会把发生的事件赋值到events数组中（events不可以是空指针，内核只负责把数据复制到这个events数组中，不会去帮助我们在用户态中分配内存）。maxevents告之内核这个events有多大，这个 maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size，参数timeout是超时时间（毫秒，0会立即返回，-1将不确定，也有说法说是永久阻塞）。如果函数调用成功，返回对应I/O上已准备好的文件描述符数目，如返回0表示已超时。

epoll的两种工作模式

epoll有Level-Triggered和Edge-Triggered两种工作模式。

Level-Triggered是缺省工作方式，有阻塞和非阻塞两种方式。内核告诉你一个描述符是否就绪，然后可以对就绪的fd进行IO操作。如果不做任何操作，内核还会继续通知，因此该模式下编程出错可能性小。传统的select/poll是这样的模型。此方式可以认为是一个快速的poll。

Edge-Triggered是只支持非阻塞模式。当一个新的事件到达时，ET模式从epoll_wait调用中获取该事件，如果这次没有将该事件对应的套接字缓冲区处理完，在这个套接字中没有新的事件再次到来时，在ET模式下是无法再次从epoll_wait调用中获取这个事件的。而LT模式，只要一个事件对应的套接字缓冲区中还有数据，就总能从epoll_wait中获取这个事件。

二者的差异在于 level-trigger 模式下只要某个 fd 处于 readable/writable 状态，无论什么时候进行 epoll_wait 都会返回该 fd；而 edge-trigger 模式下只有某个 fd 从unreadable 变为 readable 或从 unwritable 变为 writable 时，epoll_wait 才会返回该 fd。

以下黑体字来自http://www.cppblog.com/peakflys/archive/2012/08/26/188344.aspx

使用LT意味着只要fd处于readable/writable状态，每次 epoll_wait 时都会返回该 fd，系统开销不说，自己处理时每次都要把这些fd轮询一遍，如果fd很多的话，不管这些fd有没有事件发生，epoll_wait 都会触发这些fd的轮询判断。
查阅了一些资料，才知道常用的事件处理库很多都选择了 LT 模式，包括大家熟知的libevent和boost::asio等，为什么选择LT呢？那就不得不从ET的弊端的弊端说起。
ET模式下，当有事件发生时，系统只会通知你一次，也就是调用epoll_wait 返回fd后，不管事件你处理与否，或者处理完全与否，再调用epoll_wait 时，都不会再返回该fd，这样programmer要自己保证在事件发生时及时有效的处理完。比如此时fd发生了EPOLLIN事件，在调用epoll_wait 后发现此事件，programmer要保证在本次轮询中对此fd进行了读操作，并且还要循环调用recv操作，一直读到recv的返回值小于请求值，或者遇到EAGAIN错误，不然下次轮询时，如果此fd没有再次触发事件，你就没有机会知道这个fd需要你的处理。这样无形中就增加了programmer的负担和出错的机会。
ET模式的短处正是LT模式的长处，无论此fd是否有事件发生，或者有事件未处理完，每次epoll_wait 时总会得到此fd供你处理。显而易见，OS在LT模式下维护的 ready list 的大小肯定比ET模式下长，而且你自己轮询所有的fd时也要比ET下要多，这种消耗和ET模式下循环调用处理函数(如recv和send等)，还要逻辑处理是否处理完毕，理论上应该是LT更大一些，不过个人感觉应该差别不会太大。但是LT模式下带来的逻辑处理的方便性和不易出错性，让我们有理由把它作为首选。我想这可能也是为什么epoll后来在ET的基础上又增加了LT，并且将其作为默认模式的原因吧。

在epoll的ET模式下，正确的读写方式为：
读：只要可读，就一直读，直到返回0，或者 errno = EAGAIN
写：只要可写，就一直写，直到数据发送完，或者 errno = EAGAIN

例如，向socket中写数据：

从socket中读数据：

epoll使用模型

epoll在ET模式下的使用，在下面代码段中，非阻塞模式下，函数do_use_fd函数新到达的文件描述符知道EAGAIN由read函数或write函数返回。

#define MAX_EVENTS 10
struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];
int listen_sock, conn_sock, nfds, epollfd;/* Set up listening socket, 'listen_sock' (socket(),bind(), listen()) */
epollfd = epoll_create(10);
if (epollfd == -1) {perror("epoll_create");exit(EXIT_FAILURE);
}ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = listen_sock;
if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_sock, &ev) == -1) {perror("epoll_ctl: listen_sock");exit(EXIT_FAILURE);
}
for (;;) {nfds = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENTS, -1);if (nfds == -1) {perror("epoll_pwait");exit(EXIT_FAILURE);}for (n = 0; n < nfds; ++n) {if (events[n].data.fd == listen_sock) {conn_sock = accept(listen_sock,(struct sockaddr *) &local, &addrlen);if (conn_sock == -1) {perror("accept");exit(EXIT_FAILURE);}setnonblocking(conn_sock);ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;ev.data.fd = conn_sock;if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, conn_sock, &ev) == -1) {perror("epoll_ctl: conn_sock");exit(EXIT_FAILURE);}} else {do_use_fd(events[n].data.fd);}}
}

epoll完整的服务器例子

客户端使用《unix网络编程》（15）poll函数以及使用poll的客户服务器程序里的客户端。

服务器端代码(这里是github上源码)：

//该版本使用epoll代替poll
#include "myheader.h"
#define OPEN_MAX 1024
#define MAXEVENTS 64 //该函数是将套接字设置为非阻塞方式
//使用的代码是fcntl开启非阻塞I/O的典型代码
static int make_socket_non_blocking(int sfd) {int flags;if ((flags = fcntl(sfd, F_GETFL, 0)) == -1)err_quit("fcntl F_GETEL error");flags |= O_NONBLOCK;if (fcntl(sfd, F_SETFL, flags) == -1)err_quit("fcntl F_SETFL error");return 0;
}int main(int argc, char **argv)
{int i, maxi, listenfd, connfd, sockfd;int nready;ssize_t n;char buf[MAXLINE];socklen_t clilen;struct epoll_event event, events[MAXEVENTS];struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);// 在socket()和bind()之间设置套接字选项避免地址使用错误://结束服务器程序后“bind error: Address already in use” int opt = 1;if ( setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt)) == -1)err_exit("setsockopt error\n");Bind(listenfd, (const struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr));//设置监听套接字为非阻塞模式if (make_socket_non_blocking(listenfd) == -1) {err_exit("make_socket_non_blocking error");}Listen(listenfd, LISTENQ);//创建一个epoll的句柄，该句柄占用一个fd值，因此epoll使用完后要关闭int efd = epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC);if (efd == -1)err_exit("epoll_create1 error");event.data.fd = listenfd;          //要监听的事件类型，这里监听listen套接字event.events = EPOLLIN | EPOLLET;  //读入,边缘触发方式  //epoll的事件注册函数，注册新的fd：listenfd到efd，并指明要监听的事件int s = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &event);if (s == -1)err_quit("epoll_ctl error");for( ; ; ) {int i;//收集监听到的消息，返回值nfds是已经准备好的描述符的个数//下面的for循环只扫描已经准备好的描述符，这正是epoll比poll的高效之处//定时器时间设置为-1表示一直等待知道有事件就绪int nfds = epoll_wait(efd, events, MAXEVENTS, -1);for (i = 0; i < nfds; i++) {/* An error has occured on this fd, or the socket is not ready for reading (why were we notified then?) 如果描述符发生错误、被挂断或者不是可读的描述符都关闭该描述符并继续*/   if ( (events[i].events & EPOLLERR) || (events[i].events & EPOLLHUP) || (!(events[i].events & EPOLLIN))) {fprintf(stderr, "epoll error\n");close(events[i].data.fd);continue;}/* We have a notification on the listening socket, which means one or more incoming connections. */   else if (listenfd == events[i].data.fd) {for ( ; ; ) {struct sockaddr cliaddr;char hbuf[MAXLINE], sbuf[MAXLINE];socklen_t clilen = sizeof(cliaddr);int connfd = accept(listenfd, (const struct sockaddr*)&cliaddr,&clilen);if (connfd == -1) {//因为上边设置listenfd为非阻塞了，所以accept处理完listenfd后//没有可以处理的套接字了，所以会返回EAGIN错误表示accept处理完了//参考http://blog.csdn.net/u013074465/article/details/44993227if ((errno == EAGAIN) || (errno == EWOULDBLOCK))break;else { perror("accept DDDDDDD"); break;};}//将地址转化为主机名或者服务名 //flag参数:以数字名返回主机地址和服务地址   int s = getnameinfo(&cliaddr, clilen, hbuf, sizeof(hbuf),sbuf, sizeof(sbuf), NI_NUMERICHOST| NI_NUMERICSERV);if (s == 0)  printf("Accepted connection on descriptor %d "  "(host=%s, port=%s)\n", connfd, hbuf, sbuf);  /* Make the connection socket non-blocking and add it to the list of fds to monitor. */   		 if (make_socket_non_blocking(connfd) == -1)err_exit("make_socket_non_blocking connfd error");event.data.fd = connfd;event.events = EPOLLIN | EPOLLET;if (epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &event) == -1)err_exit("epoll_ctl error connfd");}continue;}else {/* We have data on the fd waiting to be read. Read and display it. We must read whatever data is available completely, as we are running in edge-triggered mode and won't get a notification again for the same data. */   int done = 0;for ( ; ;) {ssize_t count = read(events[i].data.fd, buf, sizeof(buf));if (count == -1) {/* If errno == EAGAIN, that means we have read all data. So go back to the main loop. */ if (errno != EAGAIN) {printf("read...");done = 1;}break;}else if (count == 0) {/* End of file. The remote has closed the connection. */ done = 1;  break;   }Write(STDOUT_FILENO, buf, count);  //write to stdout}if (done) {printf("closed connection on descriptor %d\n", events[i].data.fd);close(events[i].data.fd);}}}}close(listenfd);return EXIT_SUCCESS;
}