高级I/O中多路转接之epoll
在介绍epoll之前，先说说poll。我们都知道，select通过固定的参数位置加输入输出型参数来进行数据的传递。这样做就有一个很大的缺陷，操作麻烦。用户自己还需要创建一个新的数组，将进行监听的源数据保留下来。同时还有一个硬伤，就是select监听的fd是有上限的，这个上限只能通过修改内核的属性来实现增强。如果我们的服务器业务很大的话，就会发现select不够用。
所以有后来出现了poll，poll针对select进行了改进，他将输入的源和输出的数据分离开来，这样就不用新创建一个数组保留源数据。同时因为是使用结构体，不再使用位图的方法，所以poll没有了数量的限制。
poll
函数原型和参数
#include <sys/poll.h>
int poll(struct pollfd* fds, nfds_t nfds, int timeout);
//pollfd结构体
struct pollfd{
int fd;
short events;
short revents;
}参数说明：
fds：是一个pollfd* 结构体数组，每一个结构体中包括了三部分：监听的文件描述符、关心的事件集、返回的事件集。
nfds：是数组的大小
timeout：表示poll愿意等待的时间，如果为NULL，表示阻塞等待；如果为0，表示非阻塞；如果大于0，表示周期等待设定时间，超时了返回。
poll中events和revents的标志位：
返回值：如果小于0，表示出错；如果等于0，表示超时返回；如果大于0，表示返回已经就绪的描述符数目。
poll的优点和缺点
优点：
poll很好的解决了之前select的数量上限问题，同时接口也更加的好使用。不再需要考虑源数据的保留，每次进行select之前都需要重新赋值的问题。
缺点：
poll由于是使用了结构体数组作为参数保存结果的。那么我们依然需要遍历这个数组，才知道我们所关心的哪一个fd中哪一个事件就绪。这样就会导致当监听数量增大的时候，性能大大减小。如果当监听的数量很大，但是一段时间内活跃的用户很少的话，就会导致效率及其低下，因为需要遍历寻找，这是一个O（n）的时间复杂度。其次，poll使用的也是输出型参数，每次调用都需要将数据从用户态调入到内核态，再将数据取出来，这样会有大量的消耗。
epoll
正是因为poll还有着这些问题，后来出现了epoll。epoll跟之前的select和poll使用了不一样的思路，可以称为当前linux下性能最好的多路I/O就绪通知方法。man手册上说，他是为了处理大批量句柄而做了改进的poll。
epoll的相关函数调用
#include <sys/epoll.h>
//创建一个epoll句柄
int epoll_create(int size);
//成功返回socket fd，失败返回-1参数size指的是可以创建的文件描述符的最大值。这个函数在内存中申请一个空间，该空间是一个epoll专用的。该size就是socket fd的最大值。最后需要使用close()函数将fd释放。
#include <sys/epoll.h>
//添加、删除、删除一个epoll事件
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event* event);
//成功返回0，失败返回-1epfd：epoll_create返回的socket fd
op：操作选项。有三个选项，用宏来定义的。
- EPOLL_CTL_ADD：添加一个新的fd到epfd中。
- EPOLL_CTL_MOD：修改一个fd的监听事件。
- EPOLL_CTL_DEL：删除epfd中的一个fd。
fd：需要监听的fd。
event：期望监听的事件。epoll_event结构体如下：
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 */
};其中events是一个32整型的宏的集合，data是一个联合。events可以使用的值如下：
- EPOLLIN：触发该事件，表示对应的文件描述符上有可读数据。(包括对端SOCKET正常关闭)；
- EPOLLOUT：触发该事件，表示对应的文件描述符上可以写数据；
- 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。
#include <sys/epoll.h>
//等待监听事件的就绪
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event* events, int maxevents, int timeout);events：传入型参数，用来保存epoll_wait返回的就绪事件。该参数不能是一个空指针，内核只会讲数据拷贝到我们制定的events中，并不会创建新的空间。
maxevents：是events的大小，该大小不能超过epoll_create指定的大小。
timeout：超时时间。如果指定为-1，表示阻塞等待；如果指定为0，表示非阻塞；如果大于0，指定愿意等待的时间。
返回值：如果返回0，表示超时返回；如果返回大于0，是的是对应I/O已经就绪的fd数目；小于0，表示失败。
一般调用epoll，就只需要使用三个epoll函数，同时最后加上close关闭就好。
epoll工作原理
当我们调用了epoll_create的时候，在内核中就会创建一个eventpoll结构体，这个结构体的内容很多，其中有两个成员与epoll的使用密切相关。eventpoll.rdllist是一个双向链表,eventpoll.rbr是一个红黑树。这两个结构的成员都是一个epitem结构体。epitem结构体如下：
struct epitem{
struct rb_node rbn; //红黑树节点
struct list_head rdllink; //双向链表节点
struct epoll_filefd ffd; //事件句柄
struct eventpo;; *ep; //指向所属的eventpoll对象
struct epoll_event event; //期待发生的事件类型
}当我们用epoll_create函数的时候，创建了一个epoll句柄，每个句柄都有一个自己的eventpoll结构体，用来存放epoll中添加的事件。这些事件会被挂在红黑树中，这个红黑树使用关心的fd作为关键字，用关心的事件作为值。这样就做到了插入、查询、删除、修改的时间复杂度是O(log₂n)。同时如果出现重复的写入也不会有什么大影响。
在调用epoll_creat的时候，内核还会创建一个回调函数（ep_epoll_\callback）。当内核发现有关心的事件就绪的时候，该回调函数就会将在红黑树中对应的节点加入到双向链表中。epoll_wait函数就可以直接从双向链表中直接获得。如果双向链表不为空就将事件复制给用户空间，然后返回数量。这样获得就绪事件的时间复杂度就是O(1)。
epoll工作方式
epoll有两种工作方式，分别是水平触发（LT）和边缘触发（ET）。
设置一个场景：有一个tcp socket添加入epoll描述符，对端发送了3K的数据，此时调用了epoll_wait函数，因为有数据写入，此时epoll_wait函数返回。此时调用read读取，read每次只读取1K的数据。接着继续调用epoll_wait函数。
epoll默认的工作方式是水平触发方式（LT）：当epoll_wait函数返回的时候，LT模式的epoll会读取数据，如果一次没有读完，epoll_wait下次调用还会返回，然后让epoll再次读取，直到当前的数据被读取完。当前场景下，第一次read了1K，还剩下2K没有读取，再次调用epoll_wait的时候，依然会返回，通知epoll再次读取。
可以在创建句柄的时候，添加选项EPOLLIN | EPOLLET，让LT模式修改为ET模式：ET模式下，当epoll_wait返回的时候，epoll只有一次机会将数据获取完。如果没有获取完，下次调用epoll_wait的时候，只要缓冲区中的数据没有发生变化（增加）epoll_wait不会再次通知epoll获取数据。这样就可能导致数据的丢失。为了防止这种情况产生，在ET模式的时候，必须一次性将数据获取完。但是就如例子所说，缓冲区有3K的数据，read每次只获取1K，我们就可以通过循环读取的方式读取完缓冲区的数据。很不巧的是，read只有读取到阻塞才表示将数据读取完全，所以我们还需要将fd设置为非阻塞的。这样当read返回错误同时errno为EAGAIN的时候，表示数据被读取完全。可以进行下一次的epoll_wait。
两种方式的对比，LT模式可以使用阻塞和非阻塞式的读写。ET只能使用非阻塞式的读写。同时select和poll只有LT模式。
epoll的优点
- fd的上限很大，而且可以同ulimit进行修改，所以可以说fd没有上限。对比于select中有着数组fd_set大小的限制。
- epoll利用红黑树来保存监听事件，进行事件的查询、删除、修改、添加的时候，复杂度为O(log₂n)。
- epoll不再需要使用轮询的方式查找就绪事件，只要在双向链表中获取，其中每一个元素都是已经就绪的。
- epoll的接口使用很方便。
- epoll使用了回调函数机制，这就大大减少了操作系统的负担。
epoll的使用场景
都说epoll的高性能，但是是具有一定场景的。并不是适用于所有的场景。epoll适用于多连接中只有一部分连接活跃的情况，这样情况中使用select和poll需要使用轮询的方式访问全部监听的事件，但是epoll速度就很快。如果多连接中连接数量少，我们可以直接使用select或poll处理即可。
同时epoll还有惊群问题，epoll的惊群问题指的是，监听同一个socket的进程会被挂在等待队列中，如果当这个socket到来的时候，这里所以子进程都会被唤醒。但是最后只有一个子进程可以成功获得资源。此时就导致了大量的无用功，浪费了资源。解决这个问题可以在accept阻塞函数加上锁，竞争到锁的才可以进行获取socket。