Linux-C网络编程之epoll函数

上文中说到如果从100的不同的地方取外卖，那么epoll相当于一部手机，当外卖到达后，送货员可以通知你，从而达到每去必得，少走很多路。
它是如何实现这些作用的呢？

epoll的功能

epoll是select/poll的强化版，同是多路复用的函数，epoll有了很大的改进。

1. 支持监听大数目的socket描述符*

一个进程内，select能打开的fd是有限制的，由宏FD_SETSIZE设置，默认值是1024.在某些时候，这个数值是远远不够用的。解决办法有两种，一是修改宏然后重新编译内核，但与此同时会引起网络效率的下降；二是使用多进程来解决，但是创建多个进程是有代价的，而且进程间数据同步没有多线程间方便。
而epoll没有这个限制，它所支持的最大FD上限远远大于1024，在1GB内存的机器上是10万左右（具体数目可以cat/proc/sys/fs/file-max查看）；

1. 效率的提高

select函数每次都当监听的套接组有事件产生时就会返回，但却不能将有事件产生的套接字筛选出来，而是改变其在套接组的标志量，所以每次监听到事件，都需要将套接组整个遍历一遍。时间复杂度是O(n)。当FD数目增加时，效率会线性下降。
而epoll，每次会将监听套结字中产生事件的套接字加到一列表中，然后我们可以直接对此列表进行操作，而没有产生事件的套接字会被过滤掉，极大的提高了IO效率。这一点尤其在套接字监听数量巨大而活跃数量很少的时候很明显。

epoll的用法

epoll的使用主要在于三个函数。

1. epoll_create(int size);

创建一个epoll的句柄，size用来告诉内核这个监听的数目最大值。
注意!是数量的最大值，不是fd的最大值，切勿搞混。
当创建好epoll句柄后，它就是会占用一个fd值，所以在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽。

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

epoll的事件注册函数。
epfd是epoll的句柄，即epoll_create的返回值；
op表示动作：用三个宏表示：
EPOLL_CTL_ADD：注册新的fd到epfd中；
EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的fd的监听事件；
EPOLL_CTL_DEL：从epfd中删除一个fd；
fd是需要监听的套接字描述符；
event是设定监听事件的结构体，数据结构如下：

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 */
};

events可以是以下几个宏的集合：
EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；
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（这里应该表示有带外数据到来）；
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： 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。
EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，就会把这个fd从epoll的队列中删除。
如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个fd加入到EPOLL队列里

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

等待事件的产生，返回需要处理的事件的数量，并将需处理事件的套接字集合于参数events内，可以遍历events来处理事件。
参数epfd为epoll句柄
events为事件集合
参数timeout是超时时间（毫秒，0会立即返回，-1是永久阻塞）。该函数返回需要处理的事件数目，如返回0表示已超时。      

函数使用小例子

#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define MAXLINE 10 //最大长度
#define OPEN_MAX 100
#define LISTENQ 20
#define SERV_PORT 8000
#define INFTIM 1000
#define IP_ADDR "10.73.219.151"

int main()
{
    struct epoll_event ev, events[20];
    struct sockaddr_in clientaddr, serveraddr;
    int epfd;
    int listenfd;//监听fd
    int maxi;
    int nfds;
    int i;
    int sock_fd, conn_fd;
    char buf[MAXLINE];

    epfd = epoll_create(256);//生成epoll句柄
    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//创建套接字
    ev.data.fd = listenfd;//设置与要处理事件相关的文件描述符
    ev.events = EPOLLIN;//设置要处理的事件类型

    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev);//注册epoll事件

    memset(&serveraddr, 0, sizeof(serveraddr));
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serveraddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    bind(listenfd,(struct sockaddr*)&serveraddr, sizeof(serveraddr));//绑定套接口
    socklen_t clilen;
    listen(listenfd, LISTENQ);//转为监听套接字
    int n;
    while(1)
    {
        nfds = epoll_wait(epfd,events,20,500);//等待事件发生
        //处理所发生的所有事件
        for(i=0;i<nfds;i++)
        {
            if(events[i].data.fd == listenfd)//有新的连接
            {
                clilen = sizeof(struct sockaddr_in);
                conn_fd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &clilen);
                printf("accept a new client : %s\n",inet_ntoa(clientaddr.sin_addr));
                ev.data.fd = conn_fd;
                ev.events = EPOLLIN;//设置监听事件为可写
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, conn_fd, &ev);//新增套接字
            }
            else if(events[i].events & EPOLLIN)//可读事件
            {
                if((sock_fd = events[i].data.fd) < 0)
                    continue;
                if((n = recv(sock_fd, buf, MAXLINE, 0)) < 0)
                {
                    if(errno == ECONNRESET)
                    {
                        close(sock_fd);
                        events[i].data.fd = -1;
                    }
                    else
                    {
                        printf("readline error\n");
                    }
                }
                else if(n == 0)
                {
                    close(sock_fd);
                    printf("关闭\n");
                    events[i].data.fd = -1;
                }

                printf("%d -- > %s\n",sock_fd, buf);
                ev.data.fd = sock_fd;
                ev.events = EPOLLOUT;
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sock_fd,&ev);//修改监听事件为可读
            }

            else if(events[i].events & EPOLLOUT)//可写事件
            {
                sock_fd = events[i].data.fd;
                printf("OUT\n");
                scanf("%s",buf);
                send(sock_fd, buf, MAXLINE, 0);

                ev.data.fd = sock_fd;
                ev.events = EPOLLIN;
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD,sock_fd, &ev);
            }
        }
    }

    return 0;   
}