Epoll底层原理

Epoll 是 Linux 内核提供的一种 I/O 事件通知机制，通过在用户态和内核态之间建立一个数据结构，使得用户态程序可以在内核态中注册感兴趣的事件，当事件发生时，内核会通知用户态程序。 Epoll 与传统的 I/O 事件通知机制（如 select 和 poll）相比，具有以下优势：

- 支持更多的事件类型：除了传统的文件描述符事件外，还支持网络事件、信号事件等。

- 支持更大的事件数量： Epoll 可以支持的事件数量比传统的 I/O 事件通知机制更多。

- 更高的效率： Epoll 采用了“事件驱动”的方式，只在事件发生时才会通知用户态程序，避免了传统 I/O 事件通知机制中因轮询导致的效率低下问题。

Epoll 的实现原理可以概括为以下几个步骤：

- 创建一个 Epoll 对象：用户态程序使用 Epoll_create 函数创建一个 Epoll 对象，该对象用来管理所有的事件。

- 将文件描述符添加到 Epoll 对象中：用户态程序使用 Epoll_ctl 函数将需要监控的文件描述符添加到 Epoll 对象中，并设置需要监控的事件类型。

- 等待事件发生：用户态程序使用 Epoll_wait 函数等待事件发生。当事件发生时，Epoll 对象会将该事件通知给用户态程序。

- 处理事件：用户态程序使用回调函数或信号处理函数来处理事件。

Epoll 通过使用“事件驱动”的方式，避免了传统 I/O 事件通知机制中因轮询导致的效率低下问题，提高了系统的性能和并发能力。

下面是一个简单的 epoll 服务器示例代码，使用 C 语言编写。这个示例创建了一个基于 epoll 的服务器，监听 TCP 连接，并处理客户端的请求。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define MAX_EVENTS 10
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int server_fd, client_fd, epoll_fd, event_count;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    struct epoll_event event, events[MAX_EVENTS];

    // 创建监听socket
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_fd == -1) {
        perror("Failed to create socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置服务器地址和端口
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    server_addr.sin_port = htons(8080);

    // 绑定socket到指定地址和端口
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("Failed to bind");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 监听连接
    if (listen(server_fd, 10) == -1) {
        perror("Failed to listen");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 创建epoll
    epoll_fd = epoll_create1(0);
    if (epoll_fd == -1) {
        perror("Failed to create epoll");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 将监听socket添加到epoll中
    event.events = EPOLLIN;
    event.data.fd = server_fd;
    if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, server_fd, &event) == -1) {
        perror("Failed to add server_fd to epoll");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    while (1) {
        // 等待事件发生
        event_count = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);
        if (event_count == -1) {
            perror("Failed to wait for events");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        // 处理所有发生的事件
        for (int i = 0; i < event_count; i++) {
            if (events[i].data.fd == server_fd) {
                // 如果是监听socket有事件，则接受新的连接
                socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
                client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);
                if (client_fd == -1) {
                    perror("Failed to accept connection");
                    exit(EXIT_FAILURE);
                }

                printf("New client connected: %s:%d\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));

                // 将新连接的socket添加到epoll中
                event.events = EPOLLIN;
                event.data.fd = client_fd;
                if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, &event) == -1) {
                    perror("Failed to add client_fd to epoll");
                    exit(EXIT_FAILURE);
                }
            } else {
                // 如果是已连接的客户端socket有事件，则处理数据
                char buffer[BUFFER_SIZE];
                ssize_t bytes_read = read(events[i].data.fd, buffer, BUFFER_SIZE);
                if (bytes_read == -1) {
                    perror("Failed to read from client");
                    exit(EXIT_FAILURE);
                }

                if (bytes_read == 0) {
                    // 客户端关闭连接
                    printf("Client disconnected\n");
                    if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, events[i].data.fd, NULL) == -1) {
                        perror("Failed to remove client_fd from epoll");
                        exit(EXIT_FAILURE);
                    }
                    close(events[i].data.fd);
                } else {
                    // 打印客户端发送的数据
                    printf("Received %ld bytes from client: %.*s\n", bytes_read, (int)bytes_read, buffer);
                }
            }
        }
    }

    // 关闭监听socket和epoll
    close(server_fd);
    close(epoll_fd);

    return 0;
}