EPOLL学习

一 基本知识

　　epoll是在2.6内核中提出的，是之前的select和poll的增强版本。相对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。
　　epoll是Linux内核为处理大批量文件描述符而作了改进的poll，是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本，它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。另一点原因就是获取事件的时候，它无须遍历整个被侦听的描述符集，只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符集合就行了。epoll除了提供select/poll那种IO事件的水平触发（Level Triggered）外，还提供了边缘触发（Edge Triggered），这就使得用户空间程序有可能缓存IO状态，减少epoll_wait/epoll_pwait的调用，提高应用程序效率。

　　优点：
　　1 支持一个进程打开大数目的socket描述符
　　select 最不能忍受的是一个进程所打开的FD是有一定限制的，由FD_SETSIZE设置，默认值是2048。对于那些需要支持的上万连接数目的IM服务器来说显然太少了。这时候你一是可以选择修改这个宏然后重新编译服务器代码，不过资料也同时指出这样会带来网络效率的下降，二是可以选择多进程的解决方案（传统的Apache方案），不过虽然linux上面创建进程的代价比较小，但仍旧是不可忽视的，加上进程间数据同步远比不上线程间同步的高效，所以也不是一种完美的方案。不过 epoll则没有这个限制，它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2048,举个例子，在1GB内存的机器上大约是10万左右，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max查看，一般来说这个数目和系统内存关系很大。
　　
　　使用epoll进行高性能网络编程
　　
2 IO效率不随FD数目增加而线性下降
传统的select/poll另一个致命弱点就是当你拥有一个很大的socket集合，不过由于网络延时，任一时间只有部分的socket是“活跃”的，但是select/poll每次调用都会线性扫描全部的集合，导致效率呈现线性下降。但是epoll不存在这个问题，它只会对“活跃”的socket进行操作—这是因为在内核实现中epoll是根据每个fd上面的callback函数实现的。那么，只有“活跃”的socket才会主动的去调用 callback函数，其他idle状态socket则不会，在这点上，epoll实现了一个“伪”AIO，因为这时候推动力在os内核。在一些 benchmark中，如果所有的socket基本上都是活跃的—比如一个高速LAN环境，epoll并不比select/poll有什么效率，相反，如果过多使用epoll_ctl,效率相比还有稍微的下降。但是一旦使用idle connections模拟WAN环境，epoll的效率就远在select/poll之上了。

3 使用mmap加速内核与用户空间的消息传递
这点实际上涉及到epoll的具体实现了。无论是select,poll还是epoll都需要内核把FD消息通知给用户空间，如何避免不必要的内存拷贝就很重要，在这点上，epoll是通过内核与用户空间mmap同一块内存实现的。而如果你像我一样从2.5内核就关注epoll的话，一定不会忘记手工 mmap这一步的。

二 epoll接口

　　epoll操作过程需要三个接口，分别如下：

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

（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一共有多大。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，在linux下如果查看/proc/进程id/fd/，是能够看到这个fd的，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，struct epoll_event结构如下：

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，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket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将不确定，也有说法说是永久阻塞）。该函数返回需要处理的事件数目，如返回0表示已超时。

三 工作模式

　　epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT（level trigger）和ET（edge trigger）。LT模式是默认模式，LT模式与ET模式的区别如下：

　　LT模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时，会再次响应应用程序并通知此事件。

　　ET模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次响应应用程序并通知此事件。

　　ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。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。
　　
　　令人高兴的是，2.6内核的epoll比其2.5开发版本的/dev/epoll简洁了许多，所以，大部分情况下，强大的东西往往是简单的。唯一有点麻烦是epoll有2种工作方式：LT和ET。
　　
LT（level triggered）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，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的，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。

ET （edge-triggered）是高速工作方式，只支持non-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告诉你。然后它会假设你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，直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了（比如，你在发送，接收或者接收请求，或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK 错误）。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（only once），不过在TCP协议中，ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark确认。

ET和LT的区别就在这里体现，LT事件不会丢弃，而是只要读buffer里面有数据可以让用户读，则不断的通知你。而ET则只在事件发生之时通知。可以简单理解为LT是水平触发，而ET则为边缘触发。LT模式只要有事件未处理就会触发，而ET则只在高低电平变换时（即状态从1到0或者0到1）触发。

四 代码示例

（1）服务器代码：

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

#define IPADDRESS   "127.0.0.1"
#define PORT        8787
#define MAXSIZE     1024
#define LISTENQ     5
#define FDSIZE      1000
#define EPOLLEVENTS 100

//函数声明
//创建套接字并进行绑定
static int socket_bind(const char* ip, int port);
//IO多路复用epoll
static void do_epoll(int listenfd);
//事件处理函数
static void handle_events(int epollfd, struct epoll_event *events, int num, int listenfd, char *buf);
//处理接收到的连接
static void handle_accept(int epollfd, int listenfd);
//读处理
static void do_read(int epollfd, int fd, char *buf);
//写处理
static void do_write(int epollfd, int fd, char *buf);
//添加时间
static void add_event(int epollfd, int fd, int state);
//修改事件
static void modify_event(int epollfd, int fd, int state);
//删除事件
static void delete_event(int epollfd, int fd, int state);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int listenfd;
    listenfd = socket_bind(IPADDRESS, PORT);
    if(-1 == listen(listenfd, LISTENQ)){
        perror("socket listen error: ");
        exit(1);
    }
    do_epoll(listenfd);
    return 0;
}

//创建套接字并进行绑定
static int socket_bind(const char* ip, int port)
{
    int listenfd; 
    struct sockaddr_in servaddr;
    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(-1 == listenfd) {
        perror("Create Socket Error:");
        exit(1);
    }

    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &servaddr.sin_addr);
    servaddr.sin_port = htons(port);
    if (bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){
        perror("Bind Error: ");
        exit(1);
    }

    return listenfd;
}

//IO多路复用epoll
static void do_epoll(int listenfd)
{
    int epollfd;
    struct epoll_event events[EPOLLEVENTS];
    int ret;
    char buf[MAXSIZE];
    memset(buf, 0, MAXSIZE);

    //创建一个描述符
    epollfd = epoll_create(FDSIZE);
    //添加监听描述符事件
    add_event(epollfd, listenfd, EPOLLIN);
    for( ; ; ){
        //获取已经准备好的描述符事件
        printf("Begin to Epoll_wait\n");
        ret = epoll_wait(epollfd, events, EPOLLEVENTS, -1);
        printf("Epoll_wait ret=%d\n", ret);
        handle_events(epollfd, events, ret, listenfd, buf);
    }
    close(epollfd)
}
//事件处理函数
static void handle_events(int epollfd, struct epoll_event *events, int num, int listenfd, char *buf)
{
    int i;
    int fd;
    //进行选好遍历
    for(i=0; i<num; i++){
        fd = events[i].data.fd;
        //根据描述符的类型和事件类型进行处理
        if((fd == listenfd) && (events[i].events & EPOLLIN)){
            handle_accept(epollfd, listenfd);
        }else if(events[i].events & EPOLLIN){
            do_read(epollfd, fd, buf);
        }else if(events[i].events & EPOLLOUT){
            do_write(epollfd, fd, buf);
        }
    }
}
//处理接收到的连接
static void handle_accept(int epollfd, int listenfd)
{
    int clifd;
    struct sockaddr_in cliaddr;
    socklen_t cliaddrlen;
    clifd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &cliaddrlen);
    if (-1 == clifd){
        perror("Accept Error: ");
        exit(1);
    }else {
        printf("Accept a new client:%s:%d\n", 
            inet_ntoa(cliaddr.sin_addr), cliaddr.sin_port);
        //添加一个客户描述符和事件
        add_event(epollfd, clifd, EPOLLIN);
    }
}
//读处理
static void do_read(int epollfd, int fd, char *buf)
{
    int nread = 0;
    nread = read(fd, buf, MAXSIZE);
    if (-1 == nread){
        perror("Read Error: ");
        close(fd);
    }else if(0 == nread){
        fprintf(stderr, "Client close\n");
        close(fd);
        delete_event(epollfd, fd, EPOLLIN);
    }else{
        printf("Read Message is : %s\n", buf);
        //修改描述符对应的事件，由读改成写
        modify_event(epollfd, fd, EPOLLOUT);
    }
}

//写处理
static void do_write(int epollfd, int fd, char *buf)
{
    int nwrite = 0;
    nwrite = write(fd, buf, strlen(buf));
    if(-1 == nwrite){
        perror("Writer Error: ");
        close(fd);
        delete_event(epollfd, fd, EPOLLOUT);
    }else{
        printf("write [%s] ok\n", buf);
        modify_event(epollfd, fd,   EPOLLIN);
    }

    memset(buf, 0, sizeof(buf));

}
//添加事件
static void add_event(int epollfd, int fd, int state)
{
    printf("Begin to add_event\n");
    struct epoll_event ev;
    ev.events = state;
    ev.data.fd = fd;
    int ret = epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev);
    if(-1 == ret){
        perror("add_event error: ");
    }else{
        printf("Add_event OK\n");
    }
}
//修改事件
static void modify_event(int epollfd, int fd, int state)
{
    printf("Begin to modify_event\n");
    struct epoll_event ev;
    ev.events = state;
    ev.data.fd = fd;
    int ret = epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev);
    if(-1 == ret){
        perror("modify_event error: ");
    }else{
        printf("modify_event OK\n");
    }
}
//删除事件
static void delete_event(int epollfd, int fd, int state)
{
    printf("Begin to delete_event\n");
    struct epoll_event ev;
    ev.events = state;
    ev.data.fd = fd;
    int ret = epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, &ev);
    if(-1 == ret){
        perror("delete_event error: ");
    }else{
        printf("delete_event OK\n");
    }
}

（2）客户端代码：

//客户端也用Epoll实现，控制STDIN_FILENO,STDOUT_FILENO和sockfd三个描述符，程序如下所示:
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <time.h>

#define IPADDRESS   "127.0.0.1"
#define SERV_PORT   8787
#define MAXSIZE     1024
#define FDSIZE      1024
#define EPOLLEVENTS 20

//处理链接服务端
static void handle_connection(int sockfd);
//事件处理函数
static void handle_events(int epollfd, struct epoll_event *events, int num, int sockfd, char *buf);
//读处理
static void do_read(int epollfd, int fd, int sockfd, char *buf);
//写处理
static void do_write(int epollfd, int fd, int sockfd, char *buf);
//添加时间
static void add_event(int epollfd, int fd, int state);
//修改事件
static void modify_event(int epollfd, int fd, int state);
//删除事件
static void delete_event(int epollfd, int fd, int state);



int main(int argc, char* argv[])
{
    int sockfd = 0;
    struct sockaddr_in servaddr;
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    inet_pton(AF_INET, IPADDRESS, &servaddr.sin_addr);
    int ret = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr));
    if(-1 == ret){
        perror("connect server error: ");
        exit(1);
    }
    //处理链接
    handle_connection(sockfd);
    close(sockfd);
    return 0;
}

//处理链接服务端
static void handle_connection(int sockfd)
{
    int epollfd;
    struct epoll_event events[EPOLLEVENTS];
    char buf[MAXSIZE];
    int ret = 0;
    epollfd = epoll_create(FDSIZE);
    if(-1 == epollfd){
        perror("epoll create error:");
        exit(1);
    }
    add_event(epollfd, STDIN_FILENO, EPOLLIN);
    for( ; ; ){
        printf("begin epoll_wait\n");
        ret = epoll_wait(epollfd, events, EPOLLEVENTS, -1);
        handle_events(epollfd, events, ret, sockfd, buf);
    }
    close(epollfd);
}

//事件处理函数
static void handle_events(int epollfd, struct epoll_event *events, int num, int sockfd, char *buf)
{
    int fd = 0;
    int i = 0;
    for(i=0; i<num; i++){
        fd = events[i].data.fd;
        if(events[i].events & EPOLLIN){
            do_read(epollfd, fd, sockfd, buf);
        }else if(events[i].events & EPOLLOUT){
            do_write(epollfd, fd, sockfd, buf);
        }
    }
}

//读处理
static void do_read(int epollfd, int fd, int sockfd, char *buf)
{
    int nread = 0;
    nread = read(fd, buf, MAXSIZE);
    if(-1 == nread){
        perror("read error: ");
        close(fd);
    }else if(0 == nread){
        fprintf(stderr, "server close.\n");
        close(fd);
    }else {
        if(fd == STDIN_FILENO){
            add_event(epollfd, sockfd, EPOLLOUT);
        }else{
            delete_event(epollfd, sockfd, EPOLLIN);
            add_event(epollfd, STDOUT_FILENO, EPOLLOUT);
        }
    }
}

//写处理
static void do_write(int epollfd, int fd, int sockfd, char *buf)
{
    int nwrite = 0;
    nwrite = write(fd, buf, strlen(buf));
    if(-1 == nwrite){
        perror("write error:");
        close(fd);
    }else{
        if(fd == STDOUT_FILENO){
            delete_event(epollfd, fd, EPOLLOUT);
        }else{
            modify_event(epollfd, fd, EPOLLIN);
        }
    }
    memset(buf, 0, MAXSIZE);
}


//添加时间
static void add_event(int epollfd, int fd, int state)
{
    printf("Begin to add_event.\n");
    struct epoll_event ev;
    ev.events = state;
    ev.data.fd = fd;
    if(-1 == epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev)){
        perror("add event error: ");
        return ;
    }
    printf("add event ok\n");
    return ;
}
//修改事件
static void modify_event(int epollfd, int fd, int state)
{
    printf("Begin to modify event.\n");
    struct epoll_event ev;
    ev.events = state;
    ev.data.fd = fd;
    if(-1 == epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev)){
        perror("modify event error: ");
        return ;
    }
    printf("modify event ok\n");
    return ;
}
//删除事件
static void delete_event(int epollfd, int fd, int state)
{
    printf("Begin to delete event.\n");
    struct epoll_event ev;
    ev.events = state;
    ev.data.fd = fd;
    if(-1 == epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, &ev)){
        perror("delete event error: ");
        return ;
    }
    printf("delete event ok\n");
    return ;
}

参考资料：
IO多路复用之epoll总结
epoll百度百科
select、poll、epoll之间的区别总结[整理]