linux网络编程十四：I/O复用epoll

epoll是linux特有的I/O复用函数，它在实现上与select、poll有很大差异。
首先，epoll使用一组函数来完成任务，而不是单个函数。
其次，epoll把用户关心的文件描述符上的事件放在内核里的一个事件表中，从而无需像select和poll那样每次调用都要重复传入文件描述符或事件集。但epoll需要使用一个额外的文件描述符，来唯一标识内核中的这个事件表。

1. epoll_create

#include 
int epoll_create(int size);

size参数现在并不起作用，只是给内核一个提示，告诉它事件表需要多大。

函数返回的文件描述将作用于其它所有epoll系统调用的第一参数，以指定要访问的内核事件表。

2. epoll_ctl

#include 
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

fd参数是要操作的文件描述符。

op参数指定操作类型，操作类型有如下3种：
    A）EPOLL_CTL_ADD，往事件表中注册fd上的事件。
    B）EPOLL_CTL_MOD，修改fd上的注册事件。
    C) EPOLL_CTL_DEL，删除fd上的注册事件。

event参数指定事件，这是epoll_event结构指针。

struct epoll_event
{
    __uint32_t events;    //epoll事件
    epoll_data_t data;    //用户数据
}

epoll支持的事件类型和poll基本相同，表示epoll事件类型的宏是在poll对应宏的前面加上“E”，比如epoll的可读事件EPOLLIN，但epoll有两个额外的事件类型，EPOLLET和EPOLLONESHOT，它们对于高效运作非常关键，后面我会讨论它们。

data成员有存储用户数据：

typedef union epoll_data
{
    void *ptr;
    int fd;
    uint32_t u32;
    uint64_t u64;

} epoll_data_t;

epoll_data_t是一个联合体，其4个成员中使用最多的是fd，它指定事件所从属的目标文件描述符。
ptr成员可用来指定与fd相关的用户数据。但由于它是一个联合体，我们不能同时使用它们两个，因此，如果要将它们关联起来以实现快速数据访问，只能使用其它手段，比如放弃使用fd，而在ptr指向的用户数据里包含fd。

epoll_ctl调用成功时返回0，失败返回－1，并设置errno

3. epoll_wait

#include 
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

epoll_wait如果检测到事件，就将所有就绪的事件从内核事件表中复制到第二个参数events指向的数组中。这个数组只用于输出epoll_wait检测到的就绪事件，而不像select和poll的数组参数那样即用于传入，又用于输出。这就极大提高了应用程序索引就绪文件描述符的效率。

代码差异如下：

//索引poll返回的就绪文件描述符
int ret = poll(fds, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
for (int i = 0; i < MAX_EVENT_NUMBER; i++) {
    if (fds[i].revents & POLLIN) {
        int sockfd = fds[i].fd;
        //处理sockfd...
    }
}

//索引epoll返回的就绪文件描述符
int ret = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
for (int i = 0; i < ret; i++) {
    int sockfd = events[i].data.fd;
    //处理sockfd...
}

4. LT和ET模式
epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT（Level Trigger）和ET（Edge Trigger）。
LT模式是默认的工作模式，这种模式下的epoll相当于一个效率较高的poll。
当往epoll内核事件表中注册一个文件描述符上的EPOLLET事件时，epoll将以ET模式来操作该文件描述符。ET模式是epoll的高效工作模式。

LT模式：当epoll_wait检测到其上有事件发生并将此事件通知程序后，程序可以不立即处理该事件。这样，当程序下一次调用epoll_wait时，epoll_wait还会再次向程序通知些事件，直到事件被处理。

ET模式：当epoll_wait检测到其上有事件发生并将此事件通知程序后，程序必须立即处理该事件。
因为后续的epoll_wait调用将不再向程序通知这一事件。

可见，ET模式在很大程序上降低了同一个epll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。

注：每个使用ET模式的文件描述符都应该是非阻塞的，如果是阻塞的，那么读或写操作将会因为没有后续事件而一直处于阻塞状态（饥渴状态）。


5. 代码实现

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define MAX_EVENT_NUMBER 1024
#define BUFFER_SIZE 10

int setnonblocking(int fd);
void addfd(int epollfd, int fd, bool enable_et);
void lt(epoll_event *events, int number, int epollfd, int listenfd);
void et(epoll_event *events, int number, int epollfd, int listenfd);

/*
 * 用telnet到这个服务端程序上，并一次传输超过10字节(BUFFER_SIZE的大小)的数据，
 * 然后比较LT和ET的异同，会发现ET比LT下事件被触发的次数少很多。
*/
int main(int argc, char **argv)
{
	if (argc != 3) {
		fprintf(stderr, "Usage: %s ip port\n", basename(argv[0]));
		return 1;
	}
	
	const char *ip = argv[1];
	int port = atoi(argv[2]);
	
	int ret = 0;
	
	struct sockaddr_in address;
	bzero(&address, sizeof(address));
	address.sin_family = AF_INET;
	address.sin_port = htons(port);
	inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
	
	int sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	assert(sockfd >= 0);
	
	int reuse = 1;
	setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse));
	
	ret = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address));
	assert(ret != -1);
	
	ret = listen(sockfd, 5);
	assert(ret != -1);
	
	epoll_event events[MAX_EVENT_NUMBER];
	int epollfd = epoll_create(5);
	assert(epollfd != -1);
	
	addfd(epollfd, sockfd, true);
	
	while (1) {
		int ret = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
		if (ret < 0) {
			fprintf(stderr, "epoll failed: %s\n", strerror(errno));
			break;
		}
		
		//lt(events, ret, epollfd, sockfd);		//LT模式
		et(events, ret, epollfd, sockfd);		//ET模式
	}
	
	close(sockfd);
	
	return 0;
}

//设置非阻塞文件描述符
int setnonblocking(int fd)
{
	int old_option = fcntl(fd, F_GETFL);
	int new_option = old_option | O_NONBLOCK;
	fcntl(fd, F_SETFL, new_option);
	return old_option;
}

//将描述符fd的EPOLLIN注册到epollfd提示的epoll内核事件中，参数enable_et指定是否启用ET模式
void addfd(int epollfd, int fd, bool enable_et)
{
	epoll_event event;
	event.data.fd = fd;
	event.events = EPOLLIN;
	
	if (enable_et) {
		event.events |= EPOLLET;
	}
	
	epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event);
	
	setnonblocking(fd);
}

//LT模式
void lt(epoll_event *events, int number, int epollfd, int listenfd)
{
	char buf[BUFFER_SIZE];
	
	for (int i = 0; i < number; i++) {
		int sockfd = events[i].data.fd;
		if (sockfd == listenfd) {
			struct sockaddr_in client_address;
			socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);
			
			int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&client_address, &client_addrlength);
			addfd(epollfd, connfd, false);
		}
		else if (events[i].events & EPOLLIN) {		//只要socket读缓存中还有未读出的数据，就会被触发
			printf("event trigger once\n");
			memset(buf, '\0', BUFFER_SIZE);
			
			int ret = recv(sockfd, buf, BUFFER_SIZE-1, 0);
			if (ret <= 0) {
				close(sockfd);
				continue;
			}
			
			printf("get %d bytes of content: %s\n", ret, buf);
		}
		else {
			printf("something else happened\n");
		}
	}
}

//ET模式
void et(epoll_event *events, int number, int epollfd, int listenfd)
{
	char buf[BUFFER_SIZE];
	
	for (int i = 0; i < number; i++) {
		int sockfd = events[i].data.fd;
		if (sockfd == listenfd) {
			struct sockaddr_in client_address;
			socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);
			
			int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&client_address, &client_addrlength);
			addfd(epollfd, connfd, true);
		}
		else if (events[i].events & EPOLLIN) {
			printf("event trigger once\n");
			int ret = 0;
			
			//因为ET模式不会重复触发，所以我们要循环读取所有数据
			while (1) {
				memset(buf, '\0', BUFFER_SIZE);
								
				ret = recv(sockfd, buf, BUFFER_SIZE-1, 0);
				if (ret < 0) {
					//对于非阻塞I/O，下面的条件成立时表示数据已全部读取完毕
					if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) {
						printf("read later!\n");
						break;
					}
					
					close(sockfd);
					break;
				}
				else if (ret == 0) {
					close(sockfd);
				}
				else {
					printf("get %d bytes of content: %s\n", ret, buf);
				}
				
			}
			
		}
		else {
			printf("something else happened\n");
		}
	}
	
}

参考：《linux高性能服务器编程》