linux epoll 模型介绍及程序实例
linux epoll模型介绍和程序实例
1. epoll是何方神圣？
epoll是当前在Linux下开发大规模并发网络程序的热门人选，epoll 在Linux2.6内核中正式引入，和select相似，其实都I/O多路复用技术而已，并没有什么神秘的。
其实在Linux下设计并发网络程序，向来不缺少方法，比如典型的Apache模型（Process Per Connection，简称PPC），TPC（Thread PerConnection）模型，以及select模型和poll模型，那为何还要再引入epoll这个东东呢？那还是有得说说的…
2. 常用模型的缺点
2.1 PPC/TPC模型
这两种模型思想类似，就是让每一个到来的连接一边自己做事去，别再来烦我。只是PPC是为它开了一个进程，而TPC开了一个线程。可是别烦我是有代价的，它要时间和空间啊，连接多了之后，那么多的进程/线程切换，这开销就上来了；因此这类模型能接受的最大连接数都不会高，一般在几百个左右。
2.2 select模型
select模型的典型用法如下：
while(true) {
int i;
fd_set readset,writeset,execeptset;
/* readfds 、writefds、exceptset 设置 */
...
/* 利用临时变量调用select()阻塞等待，直到发生事件或timeout超时 */
select(max_fd + 1, &readset, &writeset, &exceptset, timeout);
/* 事件处理，描述最大值在linux可以用命令ulimit -a查看 */
for(i= 0; i <max_fd; ++i) {
if(FD_ISSET(&readset, i))
Read_Processing(i); // 处理read事件
if(FD_ISSET(&writeset, i))
Write_Processing(i); // 处理write事件
if(FD_ISSET(&exceptset, i))
Except_Processing() ;// 处理错误事件
}
}
从上面代码大致可以了解select模型的缺点：
1. 最大并发数限制，因为一个进程所打开的FD（文件描述符）是有限制的，由FD_SETSIZE设置，默认值是随系统不同也存在不同值，因此select模型的最大并发数就被相应限制了。自己改改这个FD_SETSIZE？想法虽好，可是先看看下面吧…
2. 效率问题，select每次调用都会线性扫描全部的FD集合(for循环)，这样效率就会呈现线性下降，把FD_SETSIZE改大的后果就是，大家都慢慢来，什么？都超时了？？！！
3. 内核/用户空间内存拷贝问题，如何让内核把FD消息通知给用户空间呢？在这个问题上select采取了内存拷贝方法。
2.3 poll模型
poll模型的典型用法如下：
while(true) {
...
/* 调用poll()阻塞等待，直到发生事件或是timeout超时 */
/* fds为fd数组，max_fd为fd数量*/
poll(fds, max_fd, timeout);
/* 对其它描述符发生的事件进行适当处理。*/
for(i=0; i <max_fd; ++i) {
if(fds.revents & POLLIN)
Read_Processing(i);
if(fds.revents & POLLOUT)
Write_Processing(i);
}
}
从上面可以看出，epoll和select基本上是相同的，select缺点的2和3它都没有改掉。
3. epoll的提升
把其他模型逐个批判了一下，再来看看epoll的改进之处吧，其实把select的缺点反过来那就是epoll的优点了。
1. epoll没有最大并发连接的限制，上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2048,一般来说这个数目和系统内存关系很大，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。
2. 效率提升，epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接，而跟连接总数无关，因此在实际的网络环境中，epoll的效率就会远远高于select和poll。
3. 内存拷贝，epoll在这点上使用了“共享内存”，这个内存拷贝也省略了。
4. epoll为什么高效
epoll的高效和其数据结构的设计是密不可分的，这个下面就会提到。
首先回忆一下select模型，当有I/O事件到来时，select通知应用程序有事件到了快去处理，而应用程序必须轮询所有的FD集合，测试每个FD是否有事件发生，并处理事件；代码像下面这样：
int res = select(maxfd+1, &readfds, NULL, NULL, 120);
if(res > 0)
{
for(int i = 0; i < MAX_CONNECTION; i++)
{
if(FD_ISSET(allConnection[i],&readfds))
{
handleEvent(allConnection[i]);
}
}
}
// if(res == 0) handle timeout, res < 0 handle error
epoll不仅会告诉应用程序有I/0事件到来，还会告诉应用程序相关的信息，这些信息是应用程序填充的，因此根据这些信息应用程序就能直接定位到事件，而不必遍历整个FD集合。
intres = epoll_wait(epfd, events, 20, 120);
for(int i = 0; i < res;i++)
{
handleEvent(events[n]);
}
5. epoll关键数据结构
前面提到epoll速度快和其数据结构密不可分，其关键数据结构就是：
structepoll_event {
__uint32_t events; // Epoll events
epoll_data_t data; // User datavariable
};
typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
__uint32_t u32;
__uint64_t u64;
} epoll_data_t;
可见epoll_data是一个union结构体,借助于它应用程序可以保存很多类型的信息:fd、指针等等。有了它，应用程序就可以直接定位目标了，这也是高效的原因之一。
6. 使用epoll
既然epoll相比select这么好，那么用起来如何呢？会不会很繁琐啊…先看看下面的三个函数吧，就知道Epoll的易用了。
int epoll_create(int size);
epoll_create生成一个epoll专用的文件描述符，其实就是申请一个内核空间，用来存放你想关注的socket fd上是否发生以及发生了什么事件。size就是你在这个epoll fd上能关注的最大socket fd数，大小自定，只要内存足够。
int epoll_ctl(int epfd, intop, int fd, structepoll_event *event);
epoll_ctl控制某个epoll文件描述符上的事件：注册、修改、删除。其中参数epfd是epoll_create()创建epoll专用的文件描述符。相对于select模型中的FD_SET和FD_CLR宏。
int epoll_wait(int epfd,structepoll_event * events,int maxevents,int timeout);
epoll_wait等待I/O事件的发生；参数说明：
epfd:由epoll_create() 生成的Epoll专用的文件描述符；
epoll_event:用于回传代处理事件的数组；
maxevents:每次能处理的事件数；
timeout:等待I/O事件发生的超时值；
返回发生事件数。
7. 例子程序
下面是一个简单echo Server的例子程序，麻雀虽小，五脏俱全，还包含了一个简单的超时检查机制，简洁起见没有做错误处理。
// a simple echo server using epoll in linux
//
// 2009-11-05
// by sparkling
//
#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 <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <iostream>
using namespace std;
#define MAX_EVENTS 500
struct myevent_s
{
int fd;
void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);
int events;
void *arg;
int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in
char buff[128]; // recv data buffer
int len;
long last_active; // last active time
};
// set event
void EventSet(myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void*), void *arg)
{
ev->fd = fd;
ev->call_back = call_back;
ev->events = 0;
ev->arg = arg;
ev->status = 0;
ev->last_active = time(NULL);
}
// add/mod an event to epoll
void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev)
{
struct epoll_event epv = {0, {0}};
int op;
epv.data.ptr = ev;
epv.events = ev->events = events;
if(ev->status == 1){
op = EPOLL_CTL_MOD;
}
else{
op = EPOLL_CTL_ADD;
ev->status = 1;
}
if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0)
printf("Event Add failed[fd=%d]\n", ev->fd);
else
printf("Event Add OK[fd=%d]\n", ev->fd);
}
// delete an event from epoll
void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev)
{
struct epoll_event epv = {0, {0}};
if(ev->status != 1) return;
epv.data.ptr = ev;
ev->status = 0;
epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);
}
int g_epollFd;
myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd
void RecvData(int fd, int events, void *arg);
void SendData(int fd, int events, void *arg);
// accept new connections from clients
void AcceptConn(int fd, int events, void *arg)
{
struct sockaddr_in sin;
socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);
int nfd, i;
// accept
if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1)
{
if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)
{
printf("%s: bad accept\n", __func__);
}
return;
}
do
{
for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)
{
if(g_Events[i].status == 0)
{
break;
}
}
if(i == MAX_EVENTS)
{
printf("%s:max connection limit[%d].\n", __func__, MAX_EVENTS);
break;
}
// set nonblocking
if(fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK) < 0) break;
// add a read event for receive data
EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]);
EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, &g_Events[i]);
printf("new conn[%s:%d][time:%d]\n", inet_ntoa(sin.sin_addr), ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active);
}while(0);
}
// receive data
void RecvData(int fd, int events, void *arg)
{
struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;
int len;
// receive data
len = recv(fd, ev->buff, sizeof(ev->buff)-1, 0);
EventDel(g_epollFd, ev);
if(len > 0)
{
ev->len = len;
ev->buff[len] = '\0';
printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buff);
// change to send event
EventSet(ev, fd, SendData, ev);
EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT|EPOLLET, ev);
}
else if(len == 0)
{
close(ev->fd);
printf("[fd=%d] closed gracefully.\n", fd);
}
else
{
close(ev->fd);
printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno));
}
}
// send data
void SendData(int fd, int events, void *arg)
{
struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;
int len;
// send data
len = send(fd, ev->buff, ev->len, 0);
ev->len = 0;
EventDel(g_epollFd, ev);
if(len > 0)
{
// change to receive event
EventSet(ev, fd, RecvData, ev);
EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, ev);
}
else
{
close(ev->fd);
printf("recv[fd=%d] error[%d]\n", fd, errno);
}
}
void InitListenSocket(int epollFd, short port)
{
int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking
printf("server listen fd=%d\n", listenFd);
EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVENTS]);
// add listen socket
EventAdd(epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, &g_Events[MAX_EVENTS]);
// bind & listen
sockaddr_in sin;
bzero(&sin, sizeof(sin));
sin.sin_family = AF_INET;
sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
sin.sin_port = htons(port);
bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin));
listen(listenFd, 5);
}
int main(int argc, char **argv)
{
short port = 12345; // default port
if(argc == 2){
port = atoi(argv[1]);
}
// create epoll
g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS);
if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d\n", g_epollFd);
// create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking
InitListenSocket(g_epollFd, port);
// event loop
struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
printf("server running:port[%d]\n", port);
int checkPos = 0;
while(1){
// a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event
long now = time(NULL);
for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd
{
if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle
if(g_Events[checkPos].status != 1) continue;
long duration = now - g_Events[checkPos].last_active;
if(duration >= 60) // 60s timeout
{
close(g_Events[checkPos].fd);
printf("[fd=%d] timeout[%d--%d].\n", g_Events[checkPos].fd, g_Events[checkPos].last_active, now);
EventDel(g_epollFd, &g_Events[checkPos]);
}
}
// wait for events to happen
int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000);
if(fds < 0){
printf("epoll_wait error, exit\n");
break;
}
for(int i = 0; i < fds; i++){
myevent_s *ev = (struct myevent_s*)events[i].data.ptr;
if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN)) // read event
{
ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
}
if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT)) // write event
{
ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
}
}
}
// free resource
return 0;
}
我看原文评论中，好多说存在错误，而我在CentOS-6.0虚拟机上试了一下，基本上还是可以的，主要修改了一下printf输出，将"/n"改为"\n"，还有一处字符串结束符"/0"改为"\0"，原文中这里存在问题。客户端直接使用telnet(telnet <IP> 12345)，这里使用了3个客户端，连接之后就可以输入信息了，大于60s就算超时，断开客户端连接，以图为证！
转载于：http://blog.csdn.net/sparkliang/article/details/4770655