【Linux & IO多路转接】——epoll详解
目录
一. epoll简介
二. epoll相关系统的调用
1. epoll_create
2. epoll_ctl
3. epoll_wait
三. epoll工作方式
1. 水平触发模式(level-triggered，LT）
2. 边缘触发模式（edgetriggered，ET）
四.简易的epoll服务器代码编写
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一. epoll简介
epoll的功能一样跟select和poll一样，都是用来检测文件描述符中的事件是否就绪，当有事件就绪，可以通知给应用层，上层调用 read,recv，write,send 等类似接口就不会被阻塞。
我们之前学过select，poll应该知道，select 和 poll 有如下缺陷:
- 它们需要 额外创建数组保存文件描述符，每一次检测时候，都需要将数组中的文件描述重新设置设置进 文件描述符集 中。
- 除此之外，调用select,epoll检测文件描述符集是否有文件描述符事件就的事件复杂度是
- O（N)，因为内核需要依次检测文件描述符集中每个文件符的事件是否就绪。
- select中的文件描述集能够设置的文件描述符是有限的.
epoll通过两方面就很好的解决了select和epoll的缺陷
- 第一, epoll在内核中使用 红黑树 来 跟踪进程所有待检测的文件描述符，把需要监 控socket通过epoll_ctl函数加入到内核的红黑树里，红黑树是个高效的数据结构，它的增删查改的时间复杂度是O(logN)，当需要进行加入某个文件描述符进行跟踪检测，需要epoll_ctl接口将文件描述符到红黑树中，添加到红黑树的文件描述符则会不断的进行检测，如果想取消 epoll跟踪的检测某个文件描述符，则也可以使用epoll_ctl接口将红黑树中相对应的节点给删除掉.
- 第二,epoll使用事件的驱动机制，内核中会维护着一个就绪队列，当某个文件描述符有事件发生时，则通过回调函数内核将其事件加入到这个就绪队列中，当用户调用epoll_wait接口时，通过就绪队列是否为空来判断是否有某个文件描述符的事件就绪，如果不为空，则说明有文件描述符就绪,则返回就绪队列中文件描述符的个数,因此epoll检测是否有文件描述符就绪的时间复杂度时O(1)。
二. epoll相关系统的调用
1. epoll_create
int epoll_create（int size);调用epoll_create后，内核会创建一个epoll_create对象，对象中包括跟踪检测事件的红黑树，就绪队列，回调机制。
- 参数: 自从linux2.6.8之后，size参数是被忽略的。
- 返回值：创建epoll_create后会返回一个epoll对象的文件描述符，调用者可以通过文件描述符访问到epoll对象
2. epoll_ctl
epoll_ctl 接口是用来 维护 epoll 对象中红黑树的节点，epoll_ctl可以在红黑树中添加，删除，修改节点。
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
参数:
- epfd：eppoll对象的文件描述符
- op:选择修改epoll中红黑树的方式，如下：
- EPOLL_CTL_ADD：往红黑树中插入节点
- EPOLL_CTL_MOD：修改红黑树中的节点的信息。
- EPOLL_CTL_DELL：删除红黑树中节点。
- fd:文件描述符。
- epoll_event保存的是事件信息，他的结构体如下:
struct epoll_event {
uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};
typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;
events本质是一个位图，它是用来表示事件的等待方式和事件的工作方式, 相对应的宏定义如下：
- EPOLLIN：表示读事件
- EPOLLOUT:表示写事件。
- EPOLLPRI：表示有紧急数据可以读。
- EPOLLET：表示使用ET的工作方式。
如果想要设置events多个条件，可以将用" | “表示，比如,既想要读事件又想要是ET的触发事件方式，则可以用 EPOLLIN | EPOLLET 表示。
epoll_data是一个联合体，他只能记录一个信息，他可以是指针，或者是一个文件描述符等等.如果是epoll服务器，epoll_data中一般记录的是socket文件描述符.
返回值
调用成功，返回0，调用失败返回-1，并设置errno错误码.
epoll_ctl本质是 以 fd-event 作为 key-value 映射关系插入到红黑树中，底层会根据红黑树节点的event中 events 判断是 需要检测读事件 还是检测写事件。
3. epoll_wait
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,
int maxevents, int timeout);
描述：调用epoll_wait能够获取就绪队列中已经就绪的事件。
- epfd:epoll对象的文件描述符
- events：将从就绪队列中获取到的事件信息保存进 events 数组中中，上层就可以通过eventsl中获取到事件信息判断接下来的操作，如果想要从就绪队列中取出多个文件描述符信息，则需要传进去一个event_poll类型的数组。
- maxevents:期望获取就绪队列中的事件的个数
- timeout:在内核阻塞为timeout秒，直到就绪队列不为空。
- 返回值：成功返回获取到的事件的数量，返回0，表明在timeout时间内就绪队列一直为空，返回-1表示epoll_wait发生错误,并且设置errno错误码.
epoll_wait本质是从就绪队列中已经就绪的节点event信息复制上来，上层可以通过event的信息判断是哪一个文件描述符事件就绪，events中判断是读事件就绪还是写事件就绪
三. epoll工作方式
epoll有两种触发模式，一种是水平触发(level-triggered，LT）,
另一种是边缘触发（edgetriggered，ET），epoll默认的的工作方式是LT,如果想要设置ET工作方式，需要使用epoll_ctl进行设置。
1. 水平触发模式(level-triggered，LT）
使用水平触发模式，当socket缓冲区如果一直有数据，则就会一直触发回调函数将其socket的事件加入到就绪队列中，只有当socket缓冲区中没有数据，才不会触发回调函数.水平触发模式的socket,水平触发模式的socket可以不用一次性读取socket缓冲区中的数据，因为只要socket缓冲区有数据，则会一直触发回调函数，将socket的事件加入到就绪队列中，上层调用epoll_wait则就可以一直获得到该socket文件描述符.
2. 边缘触发模式（edgetriggered，ET）
- 使用边缘触发，当底层的socket文件描述符中的缓冲区出现变化的时候(缓冲区数据从无到有，从有到多)，才会触发回调函数将socket的事件加入到就绪队列中。
- 如果socket缓冲区中没有发生变化，则socket一直不会被触发.即使相对应的socket缓冲区中有数据，。
- 如果是ET模式触发的socket，则每次都需要通过循环调用recv将事件中的socket缓冲区中的数据读取干净，如果没有将数据读取干净，那么下次socket的缓冲区没有数据就绪，那么就一直不会触发socket事件，socket事件就不会加入到就绪队列中，那么socket缓冲区剩下的数据就一直不会读取上来.
- 这里有个小细节，如果是ET模式触发的socket，那么往 socket中的缓冲区读取数据时，使用recv 或者 read 等接口时 去读取缓冲区的数据 一定要设置为非阻塞，因为每次读取都需要循环调用recv接口 去读取socket缓冲区的数据，最后一次读取socket缓冲区一定是为空，则最后一次recv不会读取的时候不会被阻塞在内核中。如果调用read，recv是阻塞读取，那么读取到socket缓冲区为空时，则read，recv则会阻塞在内核中，等待socket数据就绪，此时就相当于破坏了epoll的作用，因为epoll的作用本质是消除recv和read等接口等待数据就绪的过程。
总结:
使用边缘触发模式的效率相比使用水平触发模式的效率更高，因为 边缘触发模式 会逼迫上层一次性读完缓冲区，如果没有读取干净，则剩下的数据可能就不会读取到。每次检测socket触发回调机制，回调机制是会消耗cpu资源。
四.简易的epoll服务器代码编写
server.hpp文件
#pragma once
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define LOG_NUM 5
using std::cout;
using std::endl;
namespace sjp{
class server{
public:
server(){}
~server(){}
//创建套接字
static int Socket(){
int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
return sockfd;
}
//绑定套接字接口
static bool Bind(int sockfd,unsigned short int port){
struct sockaddr_in s;
memset(&s,'\0',sizeof(s));
s.sin_family=AF_INET;
s.sin_port=htons(port);
s.sin_addr.s_addr=0;
if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&s,sizeof(s))<0){
cout<<"bind error"< epoll_server.hpp文件
#pragma once
#include"server.hpp"
#define NUM 1024
#define WAIT_NUM 32;
#include
namespace ep_server{
class EpollServer{
private:
int port;//端口号
int listen_sock;//监听套接字
int epfd;
public:
EpollServer(int _port):port(_port){}
void InitServer(){
listen_sock=sjp::server::Socket();
sjp::server::Bind(listen_sock,port);
sjp::server::Listen(listen_sock);
epfd=epoll_create(NUM);
}
void Run(){
Addevent(listen_sock,EPOLLIN);
while(1){
struct epoll_event ep[32];//保存就绪事件
int sz=epoll_wait(epfd,ep,32,1000);//sz是获取就绪事件的个数
if(sz>0){
for(int i=0;i0){
Addevent(fd,EPOLLIN);//将新的socket添加到红黑树中
}
}
else{
char str[1024];
size_t sz=recv(ep[i].data.fd,(void*)str,1024,MSG_DONTWAIT);
if(sz>0){
str[sz]='\0';
cout< epoll_server.cc
#include"epoll_server.hpp"
#include
void Usage(){
cout<<"Usage Way: epollserver port"<InitServer();
es->Run();
}