一篇文章让你真正搞懂epoll机制

1.epoll简介

epoll是Linux内核为处理大批量文件描述符而作了改进的poll，它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。

epoll可以理解为event poll，它是一种事件驱动的I/O模型，可以用来替代传统的select和poll模型。epoll的优势在于它可以同时处理大量的文件描述符，而且不会随着文件描述符数量的增加而降低效率。

epoll的实现机制是通过内核与用户空间共享一个事件表，这个事件表中存放着所有需要监控的文件描述符以及它们的状态，当文件描述符的状态发生变化时，内核会将这个事件通知给用户空间，用户空间再根据事件类型进行相应的处理。

epoll的接口和工作模式相对于select和poll更加简单易用，因此在高并发场景下被广泛使用。

2.epoll实现原理

• socket等待队列

socket等待队列用于在socket接收到数据后添加就绪epoll事件节点和唤醒eventpoll等待队列项。

socket收到数据后，唤醒socket等待队列项，并执行等待队列项注册的回调函数ep_poll_callback，ep_poll_callback函数将就绪epoll事件节点添加至就绪队列，并唤醒eventpoll等待队列项。

• eventpoll等待队列

eventpoll等待队列用于阻塞当前进程，用于epoll_wait未检测到就绪epoll事件节点的情况。

epoll_wait检测就绪队列是否有epoll事件节点，没有epoll事件节点，则使用等待队列将当前进程挂起，后续ep_poll_callback函数会唤醒当前进程。

• 就绪队列

就绪队列用于存储就绪epoll事件节点，用户通过epoll_wait函数获取就绪epoll事件节点。

• 红黑树 

红黑树用于存储通过epoll_ctl函数注册的epoll事件节点。

3.创建epoll文件

epoll_create函数原型

int epoll_create(int size);

功能：epoll_create函数用于创建epoll文件。

参数：

size：目前内核还没有实际使用，只要大于0就行。

返回值：

成功：返回epoll文件描述符。

失败：返回-1，并设置errno。

4.增加，删除，修改epoll事件

epoll_ctl函数原型

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

功能：epoll_ctl函数用于增加，删除，修改epoll事件，epoll事件会存储于内核epoll结构体红黑树中。

参数：

epfd：epoll文件描述符。

op：操作码

• EPOLL_CTL_ADD：插入事件

• EPOLL_CTL_DEL：删除事件

• EPOLL_CTL_MOD：修改事件

fd：epoll事件绑定的套接字文件描述符。

events：epoll事件结构体。

返回值：

成功：返回0。

失败：返回-1，并设置errno。

struct epoll_event结构体

struct epoll_event{

  uint32_t events; //epoll事件，参考事件列表 

  epoll_data_t data;

} ;

typedef union epoll_data {  

    void *ptr;  

    int fd;  //套接字文件描述符

    uint32_t u32;  

    uint64_t u64;

} epoll_data_t;

epoll事件列表

enum EPOLL_EVENTS

{

    EPOLLIN = 0x001,  //socket可读。

    EPOLLPRI = 0x002, //socket有紧急数据。

    EPOLLOUT = 0x004,  //socket可写。

    EPOLLRDNORM = 0x040,

    EPOLLRDBAND = 0x080,

    EPOLLWRNORM = 0x100,

    EPOLLWRBAND = 0x200,

    EPOLLMSG = 0x400,

    EPOLLERR = 0x008,  //socket文件出错。

    EPOLLHUP = 0x010,  //socket文件被挂起。

    EPOLLRDHUP = 0x2000, //socket文件被关闭或者关闭读端。

    EPOLLEXCLUSIVE = 1u << 28,

    EPOLLWAKEUP = 1u << 29,

    EPOLLONESHOT = 1u << 30, //单次模式，执行完epoll_wait后需重新调用epoll_ctl注册事件。

    EPOLLET = 1u << 31  //边缘触发，默认为水平触发。

  };

epoll事件如何处理？

epoll事件处理原则：epoll_wait获取epoll事件 = 注册epoll事件 & 就绪epoll事件

epoll_ctl函数增加epoll事件时，系统默认注册EPOLLERR和EPOLLHUP事件。

epoll事件处理示例：

• 注册epoll事件

struct epoll_event ev;

ev.data.fd = sock_fd;

ev.events = EPOLLIN; //注册EPOLLIN事件

epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, sock_fd, &ev);

• 就绪epoll事件

res = EPOLLIN | EPOLLRDNORM;

• epoll_wait获取事件

events=(EPOLLIN|EPOLLERR|EPOLLHUP)&(EPOLLIN|EPOLLRDNORM) = EPOLLIN;

注意：只有注册的事件才能通过epoll_wait获取。

5.epoll事件就绪

epoll_wait函数原型

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

功能：epoll_wait用于监听epoll事件。

参数：

epfd：epoll文件描述符。

events：epoll事件数组。

maxevents：epoll事件数组长度。

timeout：超时时间，

• 小于0：一直等待。

• 等于0：立即返回。

• 大于0：等待超时时间返回，单位毫秒。

返回值：

小于0：出错。

等于0：超时。

大于0：返回就绪事件个数。

6.epoll编程流程

7.epoll常见问题？

问题1：LT模式和ET模式区别？

LT模式又称水平触发，ET模式又称边缘触发。

LT模式只不过比ET模式多执行了一个步骤，就是当epoll_wait获取完就绪队列epoll事件后，LT模式会再次将epoll事件添加到就绪队列。

LT模式多了这样一个步骤会让LT模式调用epoll_wait时会一直检测到epoll事件，直到socket缓冲区数据清空为止。

ET模式则只会在缓冲区满足特定情况下才会触发epoll_wait获取epoll事件。

LT模式和ET模式优缺点。

问题2：epoll为什么高效？

• eventpoll等待队列机制，当就绪队列没有epoll事件时主动让出CPU，阻塞进程，提高CPU利用率。

• socket等待队列机制，只有接收到数据时才会将epoll事件插入就绪队列，唤醒进程获取epoll事件。

• 红黑树提高epoll事件增加，删除，修改效率。

• 任务越多，进程出让CPU概率越小，进程工作效率越高，所以epoll非常适合高并发场景。

问题3：epoll采用阻塞方式是否影响性能？

epoll机制本身也是阻塞的，当epoll_wait未检测到epoll事件时，会出让CPU，阻塞进程，这种阻塞是非常有必要的，如果不及时出让CPU会浪费CPU资源，导致其他任务无法抢占CPU，只要epoll机制能够在检测到epoll事件后，及时唤醒进程处理，并不会影响epoll性能。

问题4：socket采用阻塞还是非阻塞？

socket采用非阻塞方式。

epoll机制属于IO多路复用机制，这种机制的特点是一个进程处理多路IO请求，如果socket设置成阻塞模式会存在以下几个问题：

• 一个进程同一时间只能处理一个socket数据，如果socket被阻塞，那么该进程无法处理其他的socket数据，严重影响了性能。

• 阻塞的本质是进程状态和上下文的切换，频繁的阻塞会把让CPU一直处于上下文切换的状态，导致CPU瞎忙。