Linux下I/O多路转接之epoll(绝对经典)

转载自 https://www.cnblogs.com/melons/p/5791788.html

epoll

关于Linux下I/O多路转接之epoll函数，什么返回值，什么参数，我不想再多的解释，您不想移驾，我给你移来：

http://blog.csdn.net/colder2008/article/details/5812487      返回值，参数说明等；

最后将一个用epoll设计的网络服务器贴上代码，以供借阅：

下面我们从流开始说起，再到select-->poll-->epoll:(原文来自：http://www.tuicool.com/articles/6NrMJn)，文中这样说：

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。

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”。

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”。

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”

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）：

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

 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 {
    select(streams[])
    for i in streams[] {
        if i has data
        read 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，没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(1)）

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
比如
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socket, EPOLLIN);//注册缓冲区非空事件，即有数据流入
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, socket, EPOLLOUT);//注册缓冲区非满事件，即流可以被写入
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
    }
 }

以上不会有太多的实例，基本就是原理，并且略带的说了select、poll和epoll的比较，得出为什么要用epoll：下面是服务器代码：

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


void usage(const char* argv)
{
  printf("%s:[ip][port]\n",argv);
}

void set_nonblock(int fd)
{
    int fl = fcntl(fd,F_GETFL);
    fcntl(fd,F_SETFL,fl | O_NONBLOCK);
}

int startup(char* _ip,int _port)  //创建一个套接字，绑定，检测服务器
{
  //sock
  //1.创建套接字
  int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
  if(sock<0)
  {
      perror("sock");
      exit(2);
  }

  int opt = 1;
  setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));

  //2.填充本地 sockaddr_in 结构体（设置本地的IP地址和端口）
  struct sockaddr_in local;
  local.sin_port=htons(_port);
  local.sin_family=AF_INET;
  local.sin_addr.s_addr=inet_addr(_ip);

  //3.bind（）绑定
  if(bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0)
  {
      perror("bind");
      exit(3);
  }
  //4.listen（）监听 检测服务器
  if(listen(sock,5)<0)
  {
      perror("listen");
      exit(4);
  }
  return sock;    //这样的套接字返回
}

int main(int argc,char *argv[])
{
    if(argc!=3)     //检测参数个数是否正确
    {
        usage(argv[0]);
        exit(1);
    }

    int listen_sock=startup(argv[1],atoi(argv[2]));      //创建一个绑定了本地 ip 和端口号的套接字描述符


    //1.创建epoll
    int epfd = epoll_create(256);    //可处理的最大句柄数256个
    if(epfd < 0)
    {
    perror("epoll_create");
    exit(5);
    }

    struct epoll_event _ev;       //epoll结构填充
    _ev.events = EPOLLIN;         //初始关心事件为读
    _ev.data.fd = listen_sock;

    //2.托管
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listen_sock,&_ev);  //将listen sock添加到epfd中，关心读事件

    struct epoll_event revs[64];

    int timeout = -1;
    int num = 0;
    int done = 0;

    while(!done)
    {
    //epoll_wait()相当于在检测事件
        switch((num = epoll_wait(epfd,revs,64,timeout)))  //返回需要处理的事件数目  64表示 事件有多大
        {
            case 0:                  //返回0 ，表示监听超时
                printf("timeout\n");
                break;
            case -1:                 //出错
                perror("epoll_wait");
                break;
            default:                 //大于零 即就是返回了需要处理事件的数目
              {
        struct sockaddr_in peer;
        socklen_t len = sizeof(peer);

        int i;
                for(i=0;i < num;i++)
                {
            int rsock = revs[i].data.fd; //准确获取哪个事件的描述符
                    if(rsock == listen_sock && (revs[i].events) && EPOLLIN) //如果是初始的 就接受，建立链接
                    {
                        int new_fd = accept(listen_sock,(struct sockaddr*)&peer,&len);

                        if(new_fd > 0)
                        {
                             printf("get a new client:%s:%d\n",inet_ntoa(peer.sin_addr),ntohs(peer.sin_port));

                 set_nonblock(new_fd);
                 _ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
                 _ev.data.fd = new_fd;
                 epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,new_fd,&_ev);    //二次托管

                        }
            }
            else // 接下来对num - 1 个事件处理
            {
            if(revs[i].events & EPOLLIN)
            {
                char buf[1024];
                ssize_t _s = read(rsock,buf,sizeof(buf)-1);
                if(_s > 0)
                {
                buf[_s] = '\0';
                printf("client:%s\n",buf);

                    _ev.events = EPOLLOUT | EPOLLET;
                    _ev.data.fd = rsock;
                    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,rsock,&_ev);    //二次托管
                }
                else if(_s == 0)  //client:close
                {
                printf("client:%d close\n",rsock);
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,rsock,NULL);

                close(rsock);
                }
                else
                {
                perror("read");
                }
            }
            else if(revs[i].events & EPOLLOUT)
            {
                const char *msg = "HTTP/1.0.200 OK\r\n\r\n李宁爱张宁！\r\n";
                write(rsock,msg,strlen(msg));
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,rsock,NULL);
                close(rsock);
            }
            else
            {}
            }
        }
          }
          break;
    }
    }
    return 0;
}

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