linux epoll机制详解

在linux 没有实现epoll事件驱动机制之前，我们一般选择用select或者poll等IO多路复用的方法来实现并发服务程序。在linux新的内核中，有了一种替换它的机制，就是epoll。

select()和poll() IO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；(在linux内核头文件中，有这样的定义：#define __FD_SETSIZE 1024)
2.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；
3.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；
4.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。

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。

epoll IO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。

epoll实现机制

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。

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。

epoll的接口

1.epoll_create

创建epoll句柄
函数声明：int epoll_create(int size)

参数：size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。
返回值：返回创建了的epoll句柄。
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。

2.epoll_ctl

将被监听的描述符添加到epoll句柄或从epool句柄中删除或者对监听事件进行修改。
函数申明：int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event*event);

参数：
epfd： epoll_create()的返回值
op：表示要进行的操作，其值分别为：
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；
fd：需要操作/监听的文件句柄
event：是告诉内核需要监听什么事件，struct epoll_event如下：

typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
__uint32_t u32;
__uint64_t u64;
} epoll_data_t; 

struct epoll_event {
__uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
}; 

events可以是以下几个宏的集合：

EPOLLIN：触发该事件，表示对应的文件描述符上有可读数据。(包括对端SOCKET正常关闭)；
EPOLLOUT：触发该事件，表示对应的文件描述符上可以写数据；
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(EdgeTriggered)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。

示例：

struct epoll_event ev;
//设置与要处理的事件相关的文件描述符
ev.data.fd=listenfd;
//设置要处理的事件类型
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
//注册epoll事件
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);

1.epoll_wait

等侍注册在epfd上的socket fd的事件的发生，如果发生则将发生的sokct fd和事件类型放入到events数组中。
函数原型：int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);


参数：
epfd：由epoll_create 生成的epoll文件描述符
events：用于回传代处理事件的数组
maxevents：每次能处理的最大事件数
timeout：等待I/O事件发生的超时毫秒数，-1相当于阻塞，0相当于非阻塞。一般用-1即可

epoll的工作模式

ET(EdgeTriggered):高速工作模式，只支持no_block(非阻塞模式)。在此模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告知。然后它会假设用户知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了。(触发模式只在数据就绪时通知一次，若数据没有读完，下一次不会通知，直到有新的就绪数据)

LT(LevelTriggered):缺省工作方式，支持blocksocket和no_blocksocket。在LT模式下内核会告知一个文件描述符是否就绪了，然后可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果不作任何操作，内核还是会继续通知！若数据没有读完，内核也会继续通知，直至设备数据为空为止！

示例说明：

1.我们已经把一个用来从管道中读取数据的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符
2. 这个时候从管道的另一端被写入了2KB的数据
3. 调用epoll_wait(2)，并且它会返回RFD，说明它已经准备好读取操作
4. 然后我们读取了1KB的数据
5. 调用epoll_wait(2)……

ET工作模式：

如果我们在第1步将RFD添加到epoll描述符的时候使用了EPOLLET标志，在第2步执行了一个写操作，第三步epoll_wait会返回同时通知的事件会销毁。因为第4步的读取操作没有读空文件输入缓冲区内的数据，因此我们在第5步调用epoll_wait(2)完成后，是否挂起是不确定的。epoll工作在ET模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

只有当read(2)或者write(2)返回EAGAIN时(认为读完)才需要挂起，等待。但这并不是说每次read()时都需要循环读，直到读到产生一个EAGAIN才认为此次事件处理完成，当read()返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时(即小于sizeof(buf))，就可以确定此时缓冲中已没有数据了，也就可以认为此事读事件已处理完成。

LT工作模式：

LT方式调用epoll接口的时候，它就相当于一个速度比较快的poll(2)，并且无论后面的数据是否被使用，因此他们具有同样的职能。

示例

/*
* file epollTest.c
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <string.h> 

#define MAXEVENTS 64 

//函数:
//功能:创建和绑定一个TCP socket
//参数:端口
//返回值:创建的socket
static int
create_and_bind (char *port)
{
 struct addrinfo hints;
 struct addrinfo *result, *rp;
 int s, sfd; 

 memset (&hints, 0, sizeof (struct addrinfo));
 hints.ai_family = AF_UNSPEC;  /* Return IPv4 and IPv6 choices */
 hints.ai_socktype = SOCK_STREAM; /* We want a TCP socket */
 hints.ai_flags = AI_PASSIVE;  /* All interfaces */ 

 s = getaddrinfo (NULL, port, &hints, &result);
 if (s != 0)
 {
  fprintf (stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror (s));
  return -1;
 } 

 for (rp = result; rp != NULL; rp = rp->ai_next)
 {
  sfd = socket (rp->ai_family, rp->ai_socktype, rp->ai_protocol);
  if (sfd == -1)
  continue; 

  s = bind (sfd, rp->ai_addr, rp->ai_addrlen);
  if (s == 0)
  {
   /* We managed to bind successfully! */
   break;
  } 

  close (sfd);
 } 

 if (rp == NULL)
 {
  fprintf (stderr, "Could not bind\n");
  return -1;
 } 

 freeaddrinfo (result); 

 return sfd;
} 

//函数
//功能:设置socket为非阻塞的
static int
make_socket_non_blocking (int sfd)
{
 int flags, s; 

 //得到文件状态标志
 flags = fcntl (sfd, F_GETFL, 0);
 if (flags == -1)
 {
  perror ("fcntl");
  return -1;
 } 

 //设置文件状态标志
 flags |= O_NONBLOCK;
 s = fcntl (sfd, F_SETFL, flags);
 if (s == -1)
 {
  perror ("fcntl");
  return -1;
 } 

 return 0;
} 

//端口由参数argv[1]指定
int
main (int argc, char *argv[])
{
 int sfd, s;
 int efd;
 struct epoll_event event;
 struct epoll_event *events; 

 if (argc != 2)
 {
  fprintf (stderr, "Usage: %s [port]\n", argv[0]);
  exit (EXIT_FAILURE);
 } 

 sfd = create_and_bind (argv[1]);
 if (sfd == -1)
 abort (); 

 s = make_socket_non_blocking (sfd);
 if (s == -1)
 abort (); 

 s = listen (sfd, SOMAXCONN);
 if (s == -1)
 {
  perror ("listen");
  abort ();
 } 

 //除了参数size被忽略外,此函数和epoll_create完全相同
 efd = epoll_create1 (0);
 if (efd == -1)
 {
  perror ("epoll_create");
  abort ();
 } 

 event.data.fd = sfd;
 event.events = EPOLLIN | EPOLLET;//读入,边缘触发方式
 s = epoll_ctl (efd, EPOLL_CTL_ADD, sfd, &event);
 if (s == -1)
 {
  perror ("epoll_ctl");
  abort ();
 } 

 /* Buffer where events are returned */
 events = calloc (MAXEVENTS, sizeof event); 

 /* The event loop */
 while (1)
 {
  int n, i; 

  n = epoll_wait (efd, events, MAXEVENTS, -1);
  for (i = 0; i < n; i++)
  {
   if ((events[i].events & EPOLLERR) ||
    (events[i].events & EPOLLHUP) ||
    (!(events[i].events & EPOLLIN)))
   {
    /* An error has occured on this fd, or the socket is not
     ready for reading (why were we notified then?) */
    fprintf (stderr, "epoll error\n");
    close (events[i].data.fd);
    continue;
   } 

   else if (sfd == events[i].data.fd)
   {
    /* We have a notification on the listening socket, which
     means one or more incoming connections. */
    while (1)
    {
     struct sockaddr in_addr;
     socklen_t in_len;
     int infd;
     char hbuf[NI_MAXHOST], sbuf[NI_MAXSERV]; 

     in_len = sizeof in_addr;
     infd = accept (sfd, &in_addr, &in_len);
     if (infd == -1)
     {
      if ((errno == EAGAIN) ||
       (errno == EWOULDBLOCK))
      {
       /* We have processed all incoming
        connections. */
       break;
      }
      else
      {
       perror ("accept");
       break;
      }
     } 

         //将地址转化为主机名或者服务名
     s = getnameinfo (&in_addr, in_len,
         hbuf, sizeof hbuf,
         sbuf, sizeof sbuf,
         NI_NUMERICHOST | NI_NUMERICSERV);//flag参数:以数字名返回
         //主机地址和服务地址 

     if (s == 0)
     {
      printf("Accepted connection on descriptor %d "
        "(host=%s, port=%s)\n", infd, hbuf, sbuf);
     } 

     /* Make the incoming socket non-blocking and add it to the
      list of fds to monitor. */
     s = make_socket_non_blocking (infd);
     if (s == -1)
     abort (); 

     event.data.fd = infd;
     event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
     s = epoll_ctl (efd, EPOLL_CTL_ADD, infd, &event);
     if (s == -1)
     {
      perror ("epoll_ctl");
      abort ();
     }
    }
    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; 

    while (1)
    {
     ssize_t count;
     char buf[512]; 

     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)
      {
       perror ("read");
       done = 1;
      }
      break;
     }
     else if (count == 0)
     {
      /* End of file. The remote has closed the
       connection. */
      done = 1;
      break;
     } 

     /* Write the buffer to standard output */
     s = write (1, buf, count);
     if (s == -1)
     {
      perror ("write");
      abort ();
     }
    } 

    if (done)
    {
     printf ("Closed connection on descriptor %d\n",
       events[i].data.fd); 

     /* Closing the descriptor will make epoll remove it
      from the set of descriptors which are monitored. */
     close (events[i].data.fd);
    }
   }
  }
 } 

 free (events); 

 close (sfd); 

 return EXIT_SUCCESS;
}

代码编译后，./epollTest 8888 ,在另外一个终端中执行
telnet 192.168.1.161 8888 ，192.168.1.161为执行测试程序的ip。在telnet终端敲入任何字符敲入Enter后，会在测试终端显示敲入的字符。

总结

以上就是本文关于linux epoll机制详解的全部内容，希望对大家有所帮助。感兴趣的朋友可以继续参阅本站其他相关专题，如有不足之处，欢迎留言指出。感谢朋友们对本站的支持！

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