Linux网络编程--epoll 模型原理详解以及实例

1.简介

Linux I/O多路复用技术在比较多的TCP网络服务器中有使用，即比较多的用到select函数。Linux 2.6内核中有提高网络I/O性能的新方法，即epoll 。
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。要使用epoll只需要以下的三个系统函数调用： epoll_create(2)，epoll_ctl(2)，epoll_wait(2)。

2.select模型的缺陷

(1) 在Linux内核中，select所用到的FD_SET是有限的
内核中有个参数__FD_SETSIZE定义了每个FD_SET的句柄个数：#define __FD_SETSIZE 1024。也就是说，如果想要同时检测1025个句柄的可读状态是不可能用select实现的；或者同时检测1025个句柄的可写状态也是不可能的。
(2) 内核中实现select是使用轮询方法
每次检测都会遍历所有FD_SET中的句柄，显然select函数的执行时间与FD_SET中句柄的个数有一个比例关系，即select要检测的句柄数越多就会越费时

3.Windows IOCP模型的缺陷

windows完成端口实现的AIO，实际上也只是使用内部用线程池实现的，最后的结果是IO有个线程池，你的应用程序也需要一个线程池。很多文档其实已经指出了这引发的线程context-switch所带来的代价。

4.EPOLL模型的优点

(1) 支持一个进程打开大数目的socket描述符(FD)
epoll没有select模型中的限制，它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于select 所支持的2048。下面是我的小PC机上的显示：
pt@ubuntu:~$ cat /proc/sys/fs/file-max
6815744
那么对于服务器而言,这个数目会更大。
(2) IO效率不随FD数目增加而线性下降
传统select/poll的另一个致命弱点就是当你拥有一个很大的socket集合，由于网络得延时，使得任一时间只有部分的socket是”活跃”的，而select/poll每次调用都会线性扫描全部的集合，导致效率呈现线性下降。但是epoll不存在这个问题，它只会对”活跃”的socket进行操作：这是因为在内核实现中epoll是根据每个fd上面的callback函数实现的。于是，只有”活跃”的socket才会主动去调用callback函数，其他idle状态的socket则不会。在这点上，epoll实现了一个”伪”AIO”，因为这时候推动力在os内核。在一些 benchmark中，如果所有的socket基本上都是活跃的，比如一个高速LAN环境，epoll也不比select/poll低多少效率，但若过多使用的调用epoll_ctl，效率稍微有些下降。然而一旦使用idle connections模拟WAN环境，那么epoll的效率就远在select/poll之上了。
(3) 使用mmap加速内核与用户空间的消息传递
无论是select,poll还是epoll都需要内核把FD消息通知给用户空间，如何避免不必要的内存拷贝就显得很重要。在这点上，epoll是通过内核于用户空间mmap同一块内存实现。

5.EPOLL模型的工作模式

(1) LT模式
LT：level triggered，这是缺省的工作方式，同时支持block和no-block socket，在这种模式中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的，所以，这种模式编程出错误可能性要小一点。传统的select/poll都是这种模型的代表。
(2) ET模式
LT：edge-triggered，这是高速工作方式，只支持no-block socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核就通过epoll告诉你，然后它会假设你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，直到你做了某些操作而导致那个文件描述符不再是就绪状态(比如你在发送，接收或是接受请求，或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK 错误)。但是请注意，如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪)，内核就不会发送更多的通知(only once)。不过在TCP协议中，ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark确认。

6.EPOLL模型的使用方法

epoll用到的所有函数都是在头文件sys/epoll.h中声明的，下面简要说明所用到的数据结构和函数：
(1) epoll_data、epoll_data_t、epoll_event
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 */
};

结构体epoll_event 被用于注册所感兴趣的事件和回传所发生待处理的事件。epoll_event 结构体的events字段是表示感兴趣的事件和被触发的事件，可能的取值为：
EPOLLIN： 表示对应的文件描述符可以读；
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；
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： 表示对应的文件描述符有事件发生；

联合体epoll_data用来保存触发事件的某个文件描述符相关的数据。例如一个client连接到服务器，服务器通过调用accept函数可以得到于这个client对应的socket文件描述符，可以把这文件描述符赋给epoll_data的fd字段，以便后面的读写操作在这个文件描述符上进行。

(2)epoll_create
函数声明：intepoll_create(intsize)
函数说明：该函数生成一个epoll专用的文件描述符，其中的参数是指定生成描述符的最大范围。

(3) epoll_ctl函数
函数声明：intepoll_ctl(int epfd,int op, int fd, struct epoll_event *event)
函数说明：该函数用于控制某个文件描述符上的事件，可以注册事件、修改事件、删除事件。
epfd：由 epoll_create 生成的epoll专用的文件描述符；
op：要进行的操作，可能的取值EPOLL_CTL_ADD 注册、EPOLL_CTL_MOD 修改、EPOLL_CTL_DEL 删除；
fd：关联的文件描述符；
event：指向epoll_event的指针；
如果调用成功则返回0，不成功则返回-1。

(4) epoll_wait函数
函数声明：int epoll_wait(int epfd, structepoll_event * events, int maxevents, int timeout)
函数说明：该函数用于轮询I/O事件的发生。
epfd：由epoll_create 生成的epoll专用的文件描述符；
epoll_event：用于回传代处理事件的数组；
maxevents：每次能处理的事件数；
timeout：等待I/O事件发生的超时值；
返回发生事件数。

7 设计思路及模板

首先通过create_epoll(int maxfds)来创建一个epoll的句柄，其中maxfds为你的epoll所支持的最大句柄数。这个函数会返回一个新的epoll句柄，之后的所有操作都将通过这个句柄来进行操作。在用完之后，记得用close()来关闭这个创建出来的epoll句柄。
然后在你的网络主循环里面，调用epoll_wait(int epfd, epoll_event events, int max_events,int timeout)来查询所有的网络接口，看哪一个可以读，哪一个可以写。基本的语法为：
nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1);
其中kdpfd为用epoll_create创建之后的句柄，events是一个epoll_event*的指针，当epoll_wait函数操作成功之后，events里面将储存所有的读写事件。max_events是当前需要监听的所有socket句柄数。最后一个timeout参数指示 epoll_wait的超时条件，为0时表示马上返回；为-1时表示函数会一直等下去直到有事件返回；为任意正整数时表示等这么长的时间，如果一直没有事件，则会返回。一般情况下如果网络主循环是单线程的话，可以用-1来等待，这样可以保证一些效率，如果是和主循环在同一个线程的话，则可以用0来保证主循环的效率。epoll_wait返回之后，应该进入一个循环，以便遍历所有的事件。
对epoll 的操作就这么简单，总共不过4个API：epoll_create, epoll_ctl,epoll_wait和close。以下是man中的一个例子。

struct epoll_event ev, *events;
for(;;) 
{
   nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1);    //等待IO事件
   for(n = 0; n < nfds; ++n)
   {
   //如果是主socket的事件，则表示有新连接进入，需要进行新连接的处理。
      if(events[n].data.fd == listener)
      {
         client = accept(listener, (struct sockaddr *) &local,  &addrlen);
if(client < 0)
         {
            perror("accept error");
            continue;
         }
         // 将新连接置于非阻塞模式
         setnonblocking(client);
         ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; 
         //注意这里的参数EPOLLIN | EPOLLET并没有设置对写socket的监听，
         //如果有写操作的话，这个时候epoll是不会返回事件的，
         //如果要对写操作也监听的话，应该是EPOLLIN | EPOLLOUT | EPOLLET。
         // 并且将新连接也加入EPOLL的监听队列
         ev.data.fd = client;
         // 设置好event之后，将这个新的event通过epoll_ctl
         if (epoll_ctl(kdpfd, EPOLL_CTL_ADD, client, &ev) < 0)
         {
            //加入到epoll的监听队列里，这里用EPOLL_CTL_ADD
            <