epoll IO多路复用技术

一、编目11. Epoll 是何方神圣？Epoll 可是当前在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 Per Connection ）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. 常用模型的缺点如果不摆出来其他模型的缺点，怎么能对比出Epoll 的优点呢。

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1024/2048 ，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，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 模型基本上效率和select 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。

3.1. 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。

3.2. 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 。

3.3. 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 errorEpoll 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。

int res = 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：struct epoll_event {__uint32_t events; // Epoll eventsepoll_data_t data; // User data variable};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。

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);生成一个Epoll 专用的文件描述符，其实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, int op, int fd, struct epoll_event *event );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,struct epoll_event * events,int maxevents,int timeout);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。

相对于select 模型中的select 函数。

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。

view plain1.//2.// a simple echo server using epoll in linux3.//4.// 2009-11-055.// by sparkling6.//7.#include <sys/socket.h>8.#include <sys/epoll.h>9.#include <netinet/in.h>10.#include <arpa/inet.h>11.#include <fcntl.h>12.#include <unistd.h>13.#include <stdio.h>14.#include <errno.h>15.#include <iostream>ing namespace std;17.#define MAX_EVENTS 50018.struct myevent_s19.{20.int fd;21.void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);22.int events;23.void *arg;24.int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in25.char buff[128]; // recv data buffer26.int len;27.long last_active; // last active time28.};29.// set event30.void EventSet(myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void*), void *arg)31.{32. ev->fd = fd;33. ev->call_back = call_back;34. ev->events = 0;35. ev->arg = arg;36. ev->status = 0;37. ev->last_active = time(NULL);38.}39.// add/mod an event to epoll40.void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev)41.{42.struct epoll_event epv = {0, {0}};43.int op;44. epv.data.ptr = ev;45. epv.events = ev->events = events;46.if(ev->status == 1){47. op = EPOLL_CTL_MOD;48. }49.else{50. op = EPOLL_CTL_ADD;51. ev->status = 1;52. }53.if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0)54. printf("Event Add failed[fd=%d]/n", ev->fd);55.else56. printf("Event Add OK[fd=%d]/n", ev->fd);57.}58.// delete an event from epoll59.void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev)60.{61.struct epoll_event epv = {0, {0}};62.if(ev->status != 1) return;63. epv.data.ptr = ev;64. ev->status = 0;65. epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);66.}67.int g_epollFd;68.myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listenfd69.void RecvData(int fd, int events, void *arg);70.void SendData(int fd, int events, void *arg);71.// accept new connections from clients72.void AcceptConn(int fd, int events, void *arg)73.{74.struct sockaddr_in sin;75. socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);76.int nfd, i;77.// accept78.if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1)79. {80.if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)81. {82. printf("%s: bad accept", __func__);83. }84.return;85. }86.do87. {88.for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)89. {90.if(g_Events[i].status == 0)91. {92.break;93. }94. }95.if(i == MAX_EVENTS)96. {97. printf("%s:max connection limit[%d].", __func__, MAX_EVENTS);98.break;99. }100.// set nonblocking101.if(fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK) < 0) break;102.// add a read event for receive data103. EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]);104. EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, &g_Events[i]);105. printf("new conn[%s:%d][time:%d]/n", inet_ntoa(sin.sin_addr), ntohs (sin.sin_port), g_Events[i].last_active);106. }while(0);107.}108.// receive data109.void RecvData(int fd, int events, void *arg)110.{111.struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;112.int len;113.// receive data114. len = recv(fd, ev->buff, sizeof(ev->buff)-1, 0);115. EventDel(g_epollFd, ev);116.if(len > 0)117. {118. ev->len = len;119. ev->buff[len] = '/0';120. printf("C[%d]:%s/n", fd, ev->buff);121.// change to send event122. EventSet(ev, fd, SendData, ev);123. EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT|EPOLLET, ev);124. }125.else if(len == 0)126. {127. close(ev->fd);128. printf("[fd=%d] closed gracefully./n", fd);129. }130.else131. {132. close(ev->fd);133. printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s/n", fd, errno, strerror(errno));134. }135.}136.// send data137.void SendData(int fd, int events, void *arg)138.{139.struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;140.int len;141.// send data142. len = send(fd, ev->buff, ev->len, 0);143. ev->len = 0;144. EventDel(g_epollFd, ev);145.if(len > 0)146. {147.// change to receive event148. EventSet(ev, fd, RecvData, ev);149. EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, ev);150. }151.else152. {153. close(ev->fd);154. printf("recv[fd=%d] error[%d]/n", fd, errno);155. }156.}157.void InitListenSocket(int epollFd, short port)158.{159.int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);160. fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking161. printf("server listen fd=%d/n", listenFd);162. EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVE NTS]);163.// add listen socket164. EventAdd(epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, &g_Events[MAX_EVENTS]);165.// bind & listen166. sockaddr_in sin;167. bzero(&sin, sizeof(sin));168. sin.sin_family = AF_INET;169. sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;170. sin.sin_port = htons(port);171. bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin));172. listen(listenFd, 5);173.}174.int main(int argc, char **argv)175.{176.short port = 12345; // default port177.if(argc == 2){178. port = atoi(argv[1]);179. }180.// create epoll181. g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS);182.if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d/n", g_epollFd); 183.// create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking 184. InitListenSocket(g_epollFd, port);185.// event loop186.struct epoll_event events[MAX_EVENTS];187. printf("server running:port[%d]/n", port);188.int checkPos = 0;189.while(1){190.// a simple timeout check here, every time 100, better to use a min i-heap, and add timer event191.long now = time(NULL);192.for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd193. {194.if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle195.if(g_Events[checkPos].status != 1) continue;196.long duration = now - g_Events[checkPos].last_active;197.if(duration >= 60) // 60s timeout198. {199. close(g_Events[checkPos].fd);200. printf("[fd=%d] timeout[%d--%d]./n", g_Events[checkPos].fd, g_Events[checkPos].last_active, now);201. EventDel(g_epollFd, &g_Events[checkPos]);202. }203. }204.// wait for events to happen205.int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000); 206.if(fds < 0){207. printf("epoll_wait error, exit/n");208.break;209. }210.for(int i = 0; i < fds; i++){211. myevent_s *ev = (struct myevent_s*)events[i].data.ptr; 212.if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN)) // read ev ent213. {214. ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);215. }216.if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT)) // write event217. {218. ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);219. }220. }221. }222.// free resource223.return 0;224.}二、编目2Linux I/O多路复用技术在比较多的TCP网络服务器中有使用，即比较多的用到select 函数。