epoll用法介绍

 

引言

epoll是linux2.6内核中才有的机制，其他版本内核中是没有的，是Linux2.6内核引入的多路复用IO的一种方式，用于提高网络IO性能的方法。在linux网络编程中，很长一段时间都是采用select来实现多事件触发处理的。Select存在如下几个方面的问题：一是每次调用时要重复地从用户态读入参数，二是每次调用时要重复地扫描文件描述符，三是每次在调用开始时，要把当前进程放入各个文件描述符的等待队列。在调用结束后，又把进程从各个等待队列中删除。Select采用轮询的方式来处理事件触发，当随着监听socket的文件描述符fd的数量增加时，轮询的时间也就越长，造成效率低下。而且linux/posix_types.h中有#define __FD_SETSIZE 1024(也有说2048的)的定义，也就是说linux select能监听的最大fd数目是1024个，虽然能通过内核修改此参数，但这是治标不治本。
    epoll的出现可以有效的解决select效率低下的问题，epoll把参数拷贝到内核态，在每次轮询时不会重复拷贝。epoll有ET和LT两种工作模式，ET是高速模式只能以非阻塞方式进行，LT相当于快速的select，可以才有阻塞和非阻塞两种方式，epoll通过把操作拆分为epoll_create,epoll_ctl,epoll_wait三个步骤避免重复地遍历要监视的文件描述符。

Epoll介绍

epoll机制可以运转在两种模式下：Edge Triggered (ET)和Level Triggered (LT)。首先来看一下man手册中的一个例子：
      1. 我们已经把一个用来从管道中读取数据的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符
      2. 这个时候从管道的另一端被写入了2KB的数据
      3. 调用epoll_wait(2)，并且它会返回RFD，说明它已经准备好读取操作
      4. 然后我们读取了1KB的数据
      5. 调用epoll_wait(2)......

      Edge Triggered 工作模式：
      如果我们在第1步将RFD添加到epoll描述符的时候使用了EPOLLET标志，那么在第5步调用epoll_wait(2)之后将有可能会挂起，因为剩余的数据还存在于文件的输入缓冲区内，而且数据发出端还在等待一个针对已经发出数据的反馈信息。只有在监视的文件句柄上发生了某个事件的时候 ET 工作模式才会汇报事件。因此在第5步的时候，调用者可能会放弃等待仍在存在于文件输入缓冲区内的剩余数据。在上面的例子中，会有一个事件产生在RFD句柄上，因为在第2步执行了一个写操作，然后，事件将会在第3步被销毁。因为第4步的读取操作没有读空文件输入缓冲区内的数据，因此我们在第5步调用epoll_wait(2)完成后，是否挂起是不确定的。epoll工作在ET模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。最好以下面的方式调用ET模式的epoll接口，在后面会介绍避免可能的缺陷。
       i    基于非阻塞文件句柄
       ii   只有当read(2)或者write(2)返回EAGAIN时才需要挂起，等待。但这并不是说每次read()时都需要循环读，直到读到产生一个EAGAIN才认为此次事件处理完成，当read()返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时，就可以确定此时缓冲中已没有数据了，也就可以认为此事读事件已处理完成。

      Level Triggered 工作模式
      相反的，以LT方式调用epoll接口的时候，它就相当于一个速度比较快的poll/select，在poll能用的地方epoll都可以用，因为他们具有同样的职能。即使使用ET模式的epoll，在收到多个数据包的时候仍然会产生多个事件。调用者可以设定EPOLLONESHOT标志，在 epoll_wait收到事件后epoll会与事件关联的文件句柄从epoll描述符中禁止掉。因此当EPOLLONESHOT设定后，使用带有 EPOLL_CTL_MOD标志的epoll_ctl处理文件句柄就成为调用者必须作的事情。

      以上是man手册对epoll中两种模式的简要介绍，这里有必要对两种模式进行详细的介绍：

LT是缺省的工作方式，并且同时支持block和no-block socket；在这种做法中，内核会告诉调用者一个文件描述符是否就绪了，然后调用者可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知调用者的，所以，这种模式编程出错误可能性要小一点。传统的select/poll都是这种模型的代表。LT模式跟select有一样的语义。就是如果可读就触发。比如某管道原来为空，如果有一个进程写入2k数据，就会触发。如果处理进程读取1k数据，下次轮询时继续触发。该模式下，默认不可读，只有epoll通知可读才是可读，否则不可读。

ET是高速工作方式，只支持no-block socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉调用者，然后它会假设调用者知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述 符发送更多的就绪通知，直到调用者做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了。但是请注意，如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪)，内核不会发送更多的通知。该模式与select有不同的语义，只有当从不可读变为可读时才触发。上面那种情况，还有1k可读，所以不会触发，当继续读，直到返回EAGAIN时，变为不可读，如果再次变为可读就触发。默认可读，调用者可以随便读，直到发生EAGAIN。可读时读和不读，怎么读都由调用者自己决定，中间epoll不管。EAGAIN后不可读了，等到再次可读，epoll会再通知一次。理解ET模式最重要的就是理解状态的变化，对于监听可读事件时,如果是socket是监听socket，那么当有新的主动连接到来为状态发生变化；对一般的socket而言，协议栈中相应的缓冲区有新的数据为状态发生变化。但是，如果在一个时间同时接收了N个连接(N>1)，但是监听socket只accept了一个连接，那么其它未 accept的连接将不会在ET模式下给监听socket发出通知，此时状态不发生变化；对于一般的socket，如果对应的缓冲区本身已经有了N字节的数据，而只取出了小于N字节的数据，那么残存的数据不会造成状态发生变化。

Epoll的调用很简单只涉及到三个函数分别是：

1.int 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。这个参数不同于select()中的第一个参数，给出最大监听的fd+1的值。需要注意的是，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，它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件，而是在这里先注册要监听的事件类型。第一个参数是epoll_create()的返回值，第二个参数表示动作，用三个宏来表示：
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；
第三个参数是需要监听的fd，第四个参数是告诉内核需要监听什么事，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，类似于select()调用。参数events用来从内核得到事件的集合，maxevents告之内核这个events有多大，这个maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size，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。      

 

epoll简单例子

下面给出一个简单使用epoll的例子以加深理解

服务端代码：
#include <strings.n>

#include<sys/types.h>
#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>



#define MAXLINE 5
#define OPEN_MAX 100
#define LISTENQ 20
#define SERV_PORT 5000
#define INFTIM 1000

void setnonblocking(int sock)
{
    int opts;
    opts=fcntl(sock,F_GETFL);
    if(opts<0)
    {
        perror("fcntl(sock,GETFL)");
        exit(1);
    }
    opts = opts|O_NONBLOCK;
    if(fcntl(sock,F_SETFL,opts)<0)
    {
        perror("fcntl(sock,SETFL,opts)");
        exit(1);
    }   
}

int main()
{
    int i, maxi, listenfd, connfd, sockfd,epfd,nfds;
    ssize_t n;
    char line[MAXLINE];
    socklen_t clilen;
    //声明epoll_event结构体的变量,ev用于注册事件,数组用于回传要处理的事件
    struct epoll_event ev,events[20];
    //生成用于处理accept的epoll专用的文件描述符
    epfd=epoll_create(256);
    struct sockaddr_in clientaddr;
    struct sockaddr_in serveraddr;

clilen=sizeof(clientaddr);
    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    //把socket设置为非阻塞方式
   setnonblocking(listenfd);
    //设置与要处理的事件相关的文件描述符
    ev.data.fd=listenfd;
    //设置要处理的事件类型
    ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
    //ev.events=EPOLLIN;
    //注册epoll事件
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);
    bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr));
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    char *local_addr="127.0.0.1";
    inet_aton(local_addr,&(serveraddr.sin_addr));//htons(SERV_PORT);
    serveraddr.sin_port=htons(SERV_PORT);
    bind(listenfd,(sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr));
    listen(listenfd, LISTENQ);
    maxi = 0;
    for ( ; ; ) {
        //等待epoll事件的发生
        nfds=epoll_wait(epfd,events,20,500);
        //处理所发生的所有事件     
        for(i=0;i<nfds;++i)
        {
            if(events[i].data.fd==listenfd)//有客户连接
            {
                connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen);
                if(connfd<0){
                    perror("connfd<0");
                    exit(1);
                }
                setnonblocking(connfd);
                char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr);
                printf( "accapt a connection from %s \n",str);
                //设置用于读操作的文件描述符
                ev.data.fd=connfd;
                //设置用于注测的读操作事件
                ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
                //ev.events=EPOLLIN;
                //注册ev
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev);
            }
            else if(events[i].events&EPOLLIN) //客户端socket可读事件
            {
               recv(events[i].data.fd, line,MAXLINE,0);

printf(“recv line %s \n ”, line);
       }
    }
    return 0;
}
客户端的代码用perl写的如下：
#!/usr/bin/perl

use IO::Socket;

my $host = "127.0.0.1";
my $port = 5000;

my $socket = IO::Socket::INET->new("$host:$port") or die "create socket error $@";
my $msg_out = "1234567890";
print $socket $msg_out;
print "now send over, go to sleep\n";

while (1)
{
    sleep(1);
}
  同时运行服务端和客户端程序，会发现服务端在接收5字节数据之后就不会在触发EPOLLIN事件了，因为采用的是ET模式，客户端发送的10字节数据中，只读取了5字节的数据，还有5字节数据可读，也就是状态未发生改变。所以服务端不会在触发EPOLLIN事件。而如果把ET模式改成LT模式，那么服务端还是会触发EPOLLIN事件，将剩余的5字节数据读取。

总结

本文主要介绍了linux epoll的使用方法，对其中的epoll的两种模式进行了详细的分析，在服务器处理中要等待用户socket连接，由于epoll的性能较高，可以有效的处理用户请求。对于多用户连接时还要要注意在服务端accept时，有可能同时到达多个连接，由于采用ET模式，此时服务器端可能只会读取一个连接而忽略其他连接，所以采用ET模式时应该采用while（1）这样的方式来读取连接。本文还给出了一个简单的来说明epoll的用法，本例只是演示作用，对于实际应用中应考虑上述多用户情况，以及采用epoll+线程池的方法。对于参考资料2中的例子，并不会按作者说的那样只输出5字节，而是在出发EPOLLOUT之后还会出发EPOLLIN事件，也就是会出来后面的67890五个字节，对作者的这个例子研究了好久，才明白是这样的，不知道是不是没有深刻理解man的原因，得再好好看看man

参考资料

1、Linux man page

2、http://www.cppblog.com/converse/archive/2008/04/29/48482.html