linux epoll 模型详解
在linux的網絡編程中，很長的時間都在使用select來做事件觸發。在linux新的內核中，有了一種替換它的機制，就是epoll。
相比于select，epoll最大的好處在于它不會隨著監聽fd數目的增長而降低效率。因為在內核中的select實現中，它是采用輪詢來處理的，輪詢的fd數目越多，自然耗時越多。并且，在linux/posix_types.h頭文件有這樣的聲明：
#define __FD_SETSIZE??? 1024
表示select最多同時監聽1024個fd，當然，可以通過修改頭文件再重編譯內核來擴大這個數目，但這似乎并不治本。
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epoll的接口非常簡單，一共就三個函數：
1. int epoll_create(int size);
創建一個epoll的句柄，size用來告訴內核這個監聽的數目一共有多大。這個參數不同于select()中的第一個參數，給出最大監聽的fd+1的值。需要注意的是，當創建好epoll句柄后，它就是會占用一個fd值，在linux下如果查看/proc/進程id/fd/，是能夠看到這個fd的，所以在使用完epoll后，必須調用close()關閉，否則可能導致fd被耗盡。
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2. int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
epoll的事件注冊函數，它不同與select()是在監聽事件時告訴內核要監聽什么類型的事件，而是在這里先注冊要監聽的事件類型。
第一個參數是epoll_create()的返回值，
第二個參數表示動作，用三個宏來表示：
EPOLL_CTL_ADD：注冊新的fd到epfd中；
EPOLL_CTL_MOD：修改已經注冊的fd的監聽事件；
EPOLL_CTL_DEL：從epfd中刪除一個fd；
第三個參數是需要監聽的fd，
第四個參數是告訴內核需要監聽什么事，struct epoll_event結構如下：
struct epoll_event {
? __uint32_t events;? /* Epoll events */
? epoll_data_t data;? /* User data variable */
};
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events可以是以下幾個宏的集合：
EPOLLIN ：???? 表示對應的文件描述符可以讀（包括對端SOCKET正常關閉）；
EPOLLOUT：??? 表示對應的文件描述符可以寫；
EPOLLPRI：????? 表示對應的文件描述符有緊急的數據可讀（這里應該表示有帶外數據到來）；
EPOLLERR：???? 表示對應的文件描述符發生錯誤；
EPOLLHUP：???? 表示對應的文件描述符被掛斷；
EPOLLET：????? 將EPOLL設為邊緣觸發(Edge Triggered)模式，這是相對于水平觸發(Level Triggered)來說的。
EPOLLONESHOT： 只監聽一次事件，當監聽完這次事件之后，如果還需要繼續監聽這個socket的話，需要再次把這個socket加入到EPOLL隊列里
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3. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
等待事件的產生，類似于select()調用。參數events用來從內核得到事件的集合，maxevents告之內核這個events有多大，這個maxevents的值不能大于創建epoll_create()時的size，參數timeout是超時時間（毫秒，0會立即返回，-1將不確定，也有說法說是永久阻塞）。該函數返回需要處理的事件數目，如返回0表示已超時。
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從man手冊中，得到ET和LT的具體描述如下
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EPOLL事件有兩種模型：
Edge Triggered (ET)? 邊緣觸發只有數據到來，才觸發，不管緩存區中是否還有數據。
Level Triggered (LT)? 水平觸發只要有數據都會觸發。
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假如有這樣一個例子：
1. 我們已經把一個用來從管道中讀取數據的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符
2. 這個時候從管道的另一端被寫入了2KB的數據
3. 調用epoll_wait(2)，并且它會返回RFD，說明它已經準備好讀取操作
4. 然后我們讀取了1KB的數據
5. 調用epoll_wait(2)......
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Edge Triggered 工作模式：
如果我們在第1步將RFD添加到epoll描述符的時候使用了EPOLLET標志，那么在第5步調用epoll_wait(2)之后將有可能會掛起，因為剩余的數據還存在于文件的輸入緩沖區內，而且數據發出端還在等待一個針對已經發出數據的反饋信息。只有在監視的文件句柄上發生了某個事件的時候 ET 工作模式才會匯報事件。因此在第5步的時候，調用者可能會放棄等待仍在存在于文件輸入緩沖區內的剩余數據。在上面的例子中，會有一個事件產生在RFD句柄上，因為在第2步執行了一個寫操作，然后，事件將會在第3步被銷毀。因為第4步的讀取操作沒有讀空文件輸入緩沖區內的數據，因此我們在第5步調用 epoll_wait(2)完成后，是否掛起是不確定的。epoll工作在ET模式的時候，必須使用非阻塞套接口，以避免由于一個文件句柄的阻塞讀/阻塞寫操作把處理多個文件描述符的任務餓死。最好以下面的方式調用ET模式的epoll接口，在后面會介紹避免可能的缺陷。
?? i??? 基于非阻塞文件句柄
?? ii?? 只有當read(2)或者write(2)返回EAGAIN時才需要掛起，等待。但這并不是說每次read()時都需要循環讀，直到讀到產生一個EAGAIN才認為此次事件處理完成，當read()返回的讀到的數據長度小于請求的數據長度時，就可以確定此時緩沖中已沒有數據了，也就可以認為此事讀事件已處理完成。
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Level Triggered 工作模式
相反的，以LT方式調用epoll接口的時候，它就相當于一個速度比較快的poll(2)，并且無論后面的數據是否被使用，因此他們具有同樣的職能。因為即使使用ET模式的epoll，在收到多個chunk的數據的時候仍然會產生多個事件。調用者可以設定EPOLLONESHOT標志，在 epoll_wait(2)收到事件后epoll會與事件關聯的文件句柄從epoll描述符中禁止掉。因此當EPOLLONESHOT設定后，使用帶有 EPOLL_CTL_MOD標志的epoll_ctl(2)處理文件句柄就成為調用者必須作的事情。
然后詳細解釋ET, LT:
LT(level triggered)是缺省的工作方式，并且同時支持block和no-block socket.在這種做法中，內核告訴你一個文件描述符是否就緒了，然后你可以對這個就緒的fd進行IO操作。如果你不作任何操作，內核還是會繼續通知你的，所以，這種模式編程出錯誤可能性要小一點。傳統的select/poll都是這種模型的代表．
ET(edge-triggered)是高速工作方式，只支持no-block socket。在這種模式下，當描述符從未就緒變為就緒時，內核通過epoll告訴你。然后它會假設你知道文件描述符已經就緒，并且不會再為那個文件描述符發送更多的就緒通知，直到你做了某些操作導致那個文件描述符不再為就緒狀態了(比如，你在發送，接收或者接收請求，或者發送接收的數據少于一定量時導致了一個EWOULDBLOCK 錯誤）。但是請注意，如果一直不對這個fd作IO操作(從而導致它再次變成未就緒)，內核不會發送更多的通知(only once),不過在TCP協議中，ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark確認（這句話不理解）。
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在許多測試中我們會看到如果沒有大量的idle -connection或者dead-connection，epoll的效率并不會比select/poll高很多，但是當我們遇到大量的idle- connection(例如WAN環境中存在大量的慢速連接)，就會發現epoll的效率大大高于select/poll。（未測試）
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另外，當使用epoll的ET模型來工作時，當產生了一個EPOLLIN事件后，
讀數據的時候需要考慮的是當recv()返回的大小如果等于請求的大小，那么很有可能是緩沖區還有數據未讀完，也意味著該次事件還沒有處理完，所以還需要再次讀取：
while(rs)
{
? buflen = recv(activeevents[i].data.fd, buf, sizeof(buf), 0);
? if(buflen < 0)
? {
??? // 由于是非阻塞的模式,所以當errno為EAGAIN時,表示當前緩沖區已無數據可讀
??? // 在這里就當作是該次事件已處理處.
??? if(errno == EAGAIN)
???? break;
??? else
???? return;
?? }
?? else if(buflen == 0)
?? {
???? // 這里表示對端的socket已正常關閉.
?? }
?? if(buflen == sizeof(buf)
???? rs = 1;?? // 需要再次讀取
?? else
???? rs = 0;
}
還有，假如發送端流量大于接收端的流量(意思是epoll所在的程序讀比轉發的socket要快),由于是非阻塞的socket,那么send()函數雖然返回,但實際緩沖區的數據并未真正發給接收端,這樣不斷的讀和發，當緩沖區滿后會產生EAGAIN錯誤(參考man send),同時,不理會這次請求發送的數據.所以,需要封裝socket_send()的函數用來處理這種情況,該函數會盡量將數據寫完再返回，返回-1表示出錯。在socket_send()內部,當寫緩沖已滿(send()返回-1,且errno為EAGAIN),那么會等待后再重試.這種方式并不很完美,在理論上可能會長時間的阻塞在socket_send()內部,但暫沒有更好的辦法.
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ssize_t socket_send(int sockfd, const char* buffer, size_t buflen)
{
? ssize_t tmp;
? size_t total = buflen;
? const char *p = buffer;
? while(1)
? {
??? tmp = send(sockfd, p, total, 0);
??? if(tmp < 0)
??? {
????? // 當send收到信號時,可以繼續寫,但這里返回-1.
????? if(errno == EINTR)
??????? return -1;
????? // 當socket是非阻塞時,如返回此錯誤,表示寫緩沖隊列已滿,
????? // 在這里做延時后再重試.
????? if(errno == EAGAIN)
????? {
??????? usleep(1000);
??????? continue;
????? }
????? return -1;
??? }
??? if((size_t)tmp == total)
????? return buflen;
??? total -= tmp;
??? p += tmp;
? }
?
? return tmp;
}
?
?
?
?
?
?
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代碼：
#include <iostream>
#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 <pthread.h>
#include <errno.h>
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#define MAXLINE 10
?
#define OPEN_MAX 100
?
#define LISTENQ 20
?
#define SERV_PORT 5555
?
#define INFTIM 1000
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//線程池任務隊列結構體
?
struct task
{
???????? int fd; //需要讀寫的文件描述符
???????? struct task *next; //下一個任務
};
?
//用于讀寫兩個的兩個方面傳遞參數
struct user_data
{
???????? int fd;
???????? unsigned int n_size;
???????? char line[MAXLINE];
};
?
//線程的任務函數
void * readtask(void *args);
void * writetask(void *args);
//聲明epoll_event結構體的變量,ev用于注冊事件,數組用于回傳要處理的事件
struct epoll_event ev, events[20];
int epfd;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond1;
struct task *readhead = NULL, *readtail = NULL, *writehead = NULL;
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, nfds;
???????? pthread_t tid1, tid2;
?
???????? struct task *new_task = NULL;
???????? struct user_data *rdata = NULL;
???????? socklen_t clilen;
?
???????? pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
???????? pthread_cond_init(&cond1, NULL);
???????? //初始化用于讀線程池的線程
?
???????? pthread_create(&tid1, NULL, readtask, NULL);
???????? pthread_create(&tid2, NULL, readtask, NULL);
?
???????? //生成用于處理accept的epoll專用的文件描述符
???????? epfd = epoll_create(256);
?
???????? struct sockaddr_in clientaddr;
???????? struct sockaddr_in serveraddr;
???????? listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
???????? //把socket設置為非阻塞方式
???????? setnonblocking(listenfd);
???????? //設置與要處理的事件相關的文件描述符
???????? ev.data.fd = listenfd;
???????? //設置要處理的事件類型
???????? ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
???????? //注冊epoll事件
???????? epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev);
???????? bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr));
???????? serveraddr.sin_family = AF_INET;
???????? char *local_addr = "200.200.200.222";
???????? 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事件的發生
?????????????????? nfds = epoll_wait(epfd, events, 20, 500);
?????????????????? //處理所發生的所有事件
?????????????????? for (i = 0; i < nfds; ++i)
?????????????????? {
??????????????????????????? if (events[i].data.fd == listenfd)
??????????????????????????? {
???????????????????????????????????? connfd = accept(listenfd, (sockaddr *) &clientaddr, &clilen);
???????????????????????????????????? if (connfd < 0)
???????????????????????????????????? {
?????????????????????????????????????????????? perror("connfd<0");
?????????????????????????????????????????????? exit(1);
???????????????????????????????????? }
???????????????????????????????????? setnonblocking(connfd);
???????????????????????????????????? char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr);
???????????????????????????????????? std::cout << "connec_ from >>" << str << std::endl;
???????????????????????????????????? //設置用于讀操作的文件描述符
???????????????????????????????????? ev.data.fd = connfd;
???????????????????????????????????? //設置用于注測的讀操作事件
???????????????????????????????????? ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
???????????????????????????????????? //注冊ev
???????????????????????????????????? epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &ev);
??????????????????????????? } else
???????????????????????????????????? if (events[i].events & EPOLLIN)
???????????????????????????????????? {
?????????????????????????????????????????????? printf("reading!/n");
?????????????????????????????????????????????? if ((sockfd = events[i].data.fd) < 0) continue;
?????????????????????????????????????????????? new_task = new task();
?????????????????????????????????????????????? new_task->fd = sockfd;
?????????????????????????????????????????????? new_task->next = NULL;
?????????????????????????????????????????????? //添加新的讀任務
?????????????????????????????????????????????? pthread_mutex_lock(&mutex);
?????????????????????????????????????????????? if (readhead == NULL)
?????????????????????????????????????????????? {
??????????????????????????????????????????????????????? readhead = new_task;
??????????????????????????????????????????????????????? readtail = new_task;
?????????????????????????????????????????????? } else
?????????????????????????????????????????????? {
??????????????????????????????????????????????????????? readtail->next = new_task;
??????????????????????????????????????????????????????? readtail = new_task;
?????????????????????????????????????????????? }
?????????????????????????????????????????????? //喚醒所有等待cond1條件的線程
?????????????????????????????????????????????? pthread_cond_broadcast(&cond1);
?????????????????????????????????????????????? pthread_mutex_unlock(&mutex);
???????????????????????????????????? } else
?????????????????????????????????????????????? if (events[i].events & EPOLLOUT)
?????????????????????????????????????????????? {
??????????????????????????????????????????????????????? rdata = (struct user_data *) events[i].data.ptr;
??????????????????????????????????????????????????????? sockfd = rdata->fd;
??????????????????????????????????????????????????????? write(sockfd, rdata->line, rdata->n_size);
??????????????????????????????????????????????????????? delete rdata;
??????????????????????????????????????????????????????? //設置用于讀操作的文件描述符
??????????????????????????????????????????????????????? ev.data.fd = sockfd;
??????????????????????????????????????????????????????? //設置用于注測的讀操作事件
??????????????????????????????????????????????????????? ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
??????????????????????????????????????????????????????? //修改sockfd上要處理的事件為EPOLIN
??????????????????????????????????????????????????????? epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, sockfd, &ev);
?????????????????????????????????????????????? }
?????????????????? }
???????? }
}
void * readtask(void *args)
{
???????? int fd = -1;
???????? unsigned int n;
???????? //用于把讀出來的數據傳遞出去
???????? struct user_data *data = NULL;
???????? while (1)
???????? {
?????????????????? pthread_mutex_lock(&mutex);
?????????????????? //等待到任務隊列不為空
?????????????????? while (readhead == NULL)
??????????????????????????? pthread_cond_wait(&cond1, &mutex);
?????????????????? fd = readhead->fd;
?????????????????? //從任務隊列取出一個讀任務
?????????????????? struct task *tmp = readhead;
?????????????????? readhead = readhead->next;
?????????????????? delete tmp;
?????????????????? pthread_mutex_unlock(&mutex);
?????????????????? data = new user_data();
?????????????????? data->fd = fd;
?????????????????? if ((n = read(fd, data->line, MAXLINE)) < 0)
?????????????????? {
??????????????????????????? if (errno == ECONNRESET)
??????????????????????????? {
???????????????????????????????????? close(fd);
??????????????????????????? } else
??????????????????????????? std::cout << "readline error" << std::endl;
??????????????????????????? if (data != NULL) delete data;
?????????????????? } else
??????????????????????????? if (n == 0)
??????????????????????????? {
???????????????????????????????????? close(fd);
???????????????????????????????????? printf("Client close connect!/n");
???????????????????????????????????? if (data != NULL) delete data;
??????????????????????????? } else
??????????????????????????? {
???????????????????????????????????? data->n_size = n;
???????????????????????????????????? //設置需要傳遞出去的數據
???????????????????????????????????? ev.data.ptr = data;
???????????????????????????????????? //設置用于注測的寫操作事件
???????????????????????????????????? ev.events = EPOLLOUT | EPOLLET;
???????????????????????????????????? //修改sockfd上要處理的事件為EPOLLOUT
???????????????????????????????????? epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev);
??????????????????????????? }
???????? }
}
總結
以上是生活随笔為你收集整理的linux epoll 模型详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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