I/O多路复用之epoll

一：epoll的相关系统调用

epoll_create

int epoll_create(int size);

epoll_ctl

epoll的事件注册函数。

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

• 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(epoll的句柄)。
• 第二个参数表示动作，用三个宏来表示。
• 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。

第二个参数的取值:

• 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；

epoll_wait

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

收集在epoll监控的事件中已经发送的事件。
参数说明：

• 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。
• 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, 返回小于0表示函数失败。

二：epoll的工作原理

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。

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;
…
};

1. 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。

2. 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log(n)，其中n为树的高度)。

3. 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，当响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。

4. 在epoll中，对于每一个事件，都会建立一个epitem结构体。

5. 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。

6. 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. 这个操作的时间复杂度
   是O(1)。

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 
} 

三：epoll使用三部曲

1. 调用epoll_create创建一个epoll句柄。
2. 调用epoll_ctl, 将要监控的文件描述符进行注册。
3. 调用epoll_wait, 等待文件描述符就绪。

四：优点

1. epoll 在内核里使用红黑树来跟踪进程所有待检测的文件描述字，把需要监控的 socket 通过 epoll_ctl() 函数加入内核中的红黑树里，红黑树是个高效的数据结构，增删改一般时间复杂度是 O(logn)。而 select/poll 内核里没有类似 epoll 红黑树这种保存所有待检测的 socket 的数据结构，所以 select/poll 每次操作时都传入整个 socket 集合给内核，而 epoll 因为在内核维护了红黑树，可以保存所有待检测的 socket ，所以只需要传入一个待检测的 socket，减少了内核和用户空间大量的数据拷贝和内存分配。
2. epoll 使用事件驱动的机制，内核里维护了一个链表来记录就绪事件，当某个 socket 有事件发生时，通过回调函数内核会将其加入到这个就绪事件列表中，当用户调用 epoll_wait() 函数时，只会返回有事件发生的文件描述符的个数，不需要像 select/poll 那样轮询扫描整个 socket 集合，大大提高了检测的效率。

总结：

• 数据拷贝轻量：只在合适的时候调用 EPOLL_CTL_ADD 将文件描述符结构拷贝到内核中, 这个操作并不频繁(而select/poll都是每次循环都要进行拷贝)。
• 事件回调机制：避免使用遍历, 而是使用回调函数的方式, 将就绪的文件描述符结构加入到就绪队列中, epoll_wait 返回直接访问就绪队列就知道哪些文件描述符就绪。
• 没有数量限制：epoll 的方式即使监听的 Socket 数量越多的时候，效率不会大幅度降低，能够同时监听的 Socket 的数目也非常的多了，上限就为系统定义的进程打开的最大文件描述符个数。