IO多路复用——epoll

epoll

I/O复用：指应用程序 向 内核 注册一组事件(eg: 新连接到达——监听套接字上的可读事件)，然后阻塞在IO复用函数上(select,poll,epoll),内核通过IO复用函数把就绪的事件通知给应用程序。

一、epoll基本API

epoll_create

int epoll_create(int size);
int epoll_create1(int flags);

创建一个内核事件表(epoll实例)

size:一个大于0的整数；之前的内核被设计为用参数size，告知内核期望监听的文件描述字大小，作为内核数据结构初始化的值；从 Linux2.6.8 开始，这个参数就被忽略了 （epoll源码）

返回值：

若成功返回一个大于0的值，表示epoll实例；若返回-1表示出错

flags:

若为0，行为同epoll_create(); 可以设置为EPOLL_CLOEXEC.

EXEC:子进程默认打开父进程所有的文件描述符（包括epoll内核事件表,

CLOEXEC指当前进程 fork 出来的任何子进程 没有访问父进程 epoll 实例的权限。

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epoll_ctl

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

函数功能：向epoll实例中增加/删除监听的事件

参数说明
epfd:epoll句柄

op:操作类型

• EPOLL_CTL_ADD： 向 epoll 实例注册文件描述符对应的事件；
• EPOLL_CTL_DEL：向 epoll 实例删除文件描述符对应的事件；
• EPOLL_CTL_MOD： 修改文件描述符对应的事件。

event:向内核注册的某个具体事件，epoll_event类型
fd:事件对应的文件描述符

 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;

成员：
events：一系列事件的按位或

常见事件类型

EPOLLIN：表示对应的文件描述字可以读

EPOLLOUT：表示对应的文件描述字可以写

EPOLLRDHUP：表示套接字的一端已经关闭，或者半关闭

EPOLLHUP：表示对应的文件描述字被挂起

EPOLLET：设置为 edge-triggered，默认为 level-triggered。

epoll_data_t：一个联合体

常用的成员是fd,代表用户感兴趣事件对应的描述符

void* ptr 传入用户数据

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epoll_wait

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

events:

以epoll_event数组形式返回用户空间需要处理的I/O事件

• events成员表示发生的事件类型，事件类型取值和 epoll_ctl 可设置的值一样
• data值即epoll_ctl里设置的data.

返回值: 成功返回的是一个大于0的数，表示就绪事件的个数；返回0表示的是超时时间到；若出错返回-1.

二、ET和LT

LT（Level Trigger）条件触发模式 (默认，效率较高的poll)

• epoll_wait检测到文件描述符有事件发生，则将其通知给应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。

• 当下一次调用epoll_wait时，epoll_wait还会再次向应用程序报告此事件，直至被处理

ET边缘触发模式

• epoll_wait检测到文件描述符有事件发生，则将其通知给应用程序，应用程序必须立即处理该事件 (只有第一次满足条件的时候才触发，之后就不会再传递同样的事件了)

• 必须要一次性将数据读取完，使用非阻塞I/O，读取到出现eagain

三、使用epoll服务器工作流程

• 服务进程通过 epoll_wait 获取内核就绪事件处理。

• 如果就绪事件是监听套接字（server_fd）上的读事件，调用accept 获取新连接对应的文件描述符 （client_fd），设置非阻塞，然后 epoll_ctl 监控 client_fd 的可读事件 EPOLLIN。

• 如果就绪事件是已连接套接字上的读事件，read 读取客户端发送数据，进行逻辑处理。如果 read == 0代表对方请求关闭连接， epoll_ctl 删除 EPOLLIN事件，close 关闭对应 fd 从而完成四次挥手。

• 处理逻辑过程中需要 write 回复客户端，write 内容很大，超出了内核缓冲区，没能实时发送完成所有数据，需要下次继续发送；那么调用epoll_ctl注册client_fd 的 EPOLLOUT 可写事件，下次触发事件进行发送。发送完毕后， epoll_ctl 删除 EPOLLOUT 事件。

图片来源：https://wenfh2020.com/2020/04/14/epoll-workflow/

四、性能对比

select、poll、epoll三组IO复用系统调用：

用户设置感兴趣事件的方式：

• select:参数类型fd_set,没有将文件描述符和事件类型绑定，仅仅是一个文件描述符集合。因此select需要提供3个fd_set类型的参数，分别传入 可读、可写、异常等事件。
• poll:参数类型pollfd,设置文件描述符+事件类型

struct pollfd { 
int fd; /* file descriptor */ 
short events; /*由用户设置感兴趣的事件类型*/ 
short revents; /* 内核返回就绪事件 */
};

内核如何将结果返回给应用程序：

• select:内核对fd_set在线修改，应用程序需要重置集合
• poll:内核修改pollfd的revents成员

文件描述符数量:

• select通过数组描述文件描述符集合，最大文件描述符数量有上限，一般是1024，但可以修改源码，重新编译内核，不推荐

• poll是链表描述，突破了文件描述符上限，最大可以达到系统允许打开的最大文件描述符的数目（65535)。

• epoll通过红黑树描述，最大可以打开文件的数目，可以通过命令ulimit -n number修改，仅对当前终端有效

应用程序索引就绪文件描述符:

• select/poll只返回就绪的文件描述符的个数，返回整个用户注册的事件集合(就绪的和未就绪的)，若知道是哪个发生了事件，同样需要遍历。时间复杂度O（n）

• epoll返回就绪事件的个数和，将用户传入的结构体数组events，表示就绪的事件，时间复杂度O（1）