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Linux Epoll介绍和程序实例

2017年11月04日 ⁄ 综合 ⁄ 共 7783字 ⁄ 字号 小 中 大 ⁄ 评论关闭
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网络程序设计2009-11-05 10:5246483人阅读评论(90)收藏举报

Linux Epoll介绍和程序实例

1. 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 PerConnection）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 error

Epoll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。

intres = 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：

structepoll_event {

__uint32_t events;
// Epoll events

epoll_data_t data;
// User datavariable

};

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。

intepoll_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。

intepoll_ctl(int epfd,
intop, int fd,
structepoll_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。

intepoll_wait(int epfd,structepoll_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。

  1. //
  2. // a simple echo server using epoll in linux
  3. //
  4. // 2009-11-05
  5. // 2013-03-22:修改了几个问题，1是/n格式问题，2是去掉了原代码不小心加上的ET模式;
  6. // 本来只是简单的示意程序，决定还是加上 recv/send时的buffer偏移
  7. // by sparkling
  8. //
  9. #include <sys/socket.h>
  10. #include <sys/epoll.h>
  11. #include <netinet/in.h>
  12. #include <arpa/inet.h>
  13. #include <fcntl.h>
  14. #include <unistd.h>
  15. #include <stdio.h>
  16. #include <errno.h>
  17. #include <iostream>
  18. using namespace std;
  19. #define MAX_EVENTS 500
  20. struct myevent_s
  21. {
  22. int fd;
  23. void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);
  24. int events;
  25. void *arg;
  26. int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in
  27. char buff[128]; // recv data buffer
  28. int len, s_offset;
  29. long last_active; // last active time
  30. };
  31. // set event
  32. void EventSet(myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void*), void *arg)
  33. {
  34. ev->fd = fd;
  35. ev->call_back = call_back;
  36. ev->events = 0;
  37. ev->arg = arg;
  38. ev->status = 0;
  39. bzero(ev->buff, sizeof(ev->buff));
  40. ev->s_offset = 0;
  41. ev->len = 0;
  42. ev->last_active = time(NULL);
  43. }
  44. // add/mod an event to epoll
  45. void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev)
  46. {
  47. struct epoll_event epv = {0, {0}};
  48. int op;
  49. epv.data.ptr = ev;
  50. epv.events = ev->events = events;
  51. if(ev->status == 1){
  52. op = EPOLL_CTL_MOD;
  53. }
  54. else{
  55. op = EPOLL_CTL_ADD;
  56. ev->status = 1;
  57. }
  58. if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0)
  59. printf("Event Add failed[fd=%d], evnets[%d]\n", ev->fd, events);
  60. else
  61. printf("Event Add OK[fd=%d], op=%d, evnets[%0X]\n", ev->fd, op, events);
  62. }
  63. // delete an event from epoll
  64. void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev)
  65. {
  66. struct epoll_event epv = {0, {0}};
  67. if(ev->status != 1) return;
  68. epv.data.ptr = ev;
  69. ev->status = 0;
  70. epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);
  71. }
  72. int g_epollFd;
  73. myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd
  74. void RecvData(int fd, int events, void *arg);
  75. void SendData(int fd, int events, void *arg);
  76. // accept new connections from clients
  77. void AcceptConn(int fd, int events, void *arg)
  78. {
  79. struct sockaddr_in sin;
  80. socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);
  81. int nfd, i;
  82. // accept
  83. if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1)
  84. {
  85. if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)
  86. {
  87. }
  88. printf("%s: accept, %d", __func__, errno);
  89. return;
  90. }
  91. do
  92. {
  93. for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)
  94. {
  95. if(g_Events[i].status == 0)
  96. {
  97. break;
  98. }
  99. }
  100. if(i == MAX_EVENTS)
  101. {
  102. printf("%s:max connection limit[%d].", __func__, MAX_EVENTS);
  103. break;
  104. }
  105. // set nonblocking
  106. int iret = 0;
  107. if((iret = fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0)
  108. {
  109. printf("%s: fcntl nonblocking failed:%d", __func__, iret);
  110. break;
  111. }
  112. // add a read event for receive data
  113. EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]);
  114. EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, &g_Events[i]);
  115. }while(0);
  116. printf("new conn[%s:%d][time:%d], pos[%d]\n", inet_ntoa(sin.sin_addr),
  117. ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active, i);
  118. }
  119. // receive data
  120. void RecvData(int fd, int events, void *arg)
  121. {
  122. struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;
  123. int len;
  124. // receive data
  125. len = recv(fd, ev->buff+ev->len, sizeof(ev->buff)-1-ev->len, 0);
  126. EventDel(g_epollFd, ev);
  127. if(len > 0)
  128. {
  129. ev->len += len;
  130. ev->buff[len] = '\0';
  131. printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buff);
  132. // change to send event
  133. EventSet(ev, fd, SendData, ev);
  134. EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT, ev);
  135. }
  136. else if(len == 0)
  137. {
  138. close(ev->fd);
  139. printf("[fd=%d] pos[%d], closed gracefully.\n", fd, ev-g_Events);
  140. }
  141. else
  142. {
  143. close(ev->fd);
  144. printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno));
  145. }
  146. }
  147. // send data
  148. void SendData(int fd, int events, void *arg)
  149. {
  150. struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;
  151. int len;
  152. // send data
  153. len = send(fd, ev->buff + ev->s_offset, ev->len - ev->s_offset, 0);
  154. if(len > 0)
  155. {
  156. printf("send[fd=%d], [%d<->%d]%s\n", fd, len, ev->len, ev->buff);
  157. ev->s_offset += len;
  158. if(ev->s_offset == ev->len)
  159. {
  160. // change to receive event
  161. EventDel(g_epollFd, ev);
  162. EventSet(ev, fd, RecvData, ev);
  163. EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, ev);
  164. }
  165. }
  166. else
  167. {
  168. close(ev->fd);
  169. EventDel(g_epollFd, ev);
  170. printf("send[fd=%d] error[%d]\n", fd, errno);
  171. }
  172. }
  173. void InitListenSocket(int epollFd, short port)
  174. {
  175. int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  176. fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking
  177. printf("server listen fd=%d\n", listenFd);
  178. EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVENTS]);
  179. // add listen socket
  180. EventAdd(epollFd, EPOLLIN, &g_Events[MAX_EVENTS]);
  181. // bind & listen
  182. sockaddr_in sin;
  183. bzero(&sin, sizeof(sin));
  184. sin.sin_family = AF_INET;
  185. sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
  186. sin.sin_port = htons(port);
  187. bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin));
  188. listen(listenFd, 5);
  189. }
  190. int main(int argc, char **argv)
  191. {
  192. unsigned short port = 12345; // default port
  193. if(argc == 2){
  194. port = atoi(argv[1]);
  195. }
  196. // create epoll
  197. g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS);
  198. if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d\n", g_epollFd);
  199. // create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking
  200. InitListenSocket(g_epollFd, port);
  201. // event loop
  202. struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
  203. printf("server running:port[%d]\n", port);
  204. int checkPos = 0;
  205. while(1){
  206. // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event
  207. long now = time(NULL);
  208. for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd
  209. {
  210. if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle
  211. if(g_Events[checkPos].status != 1) continue;
  212. long duration = now - g_Events[checkPos].last_active;
  213. if(duration >= 60) // 60s timeout
  214. {
  215. close(g_Events[checkPos].fd);
  216. printf("[fd=%d] timeout[%d--%d].\n", g_Events[checkPos].fd, g_Events[checkPos].last_active, now);
  217. EventDel(g_epollFd, &g_Events[checkPos]);
  218. }
  219. }
  220. // wait for events to happen
  221. int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000);
  222. if(fds < 0){
  223. printf("epoll_wait error, exit\n");
  224. break;
  225. }
  226. for(int i = 0; i < fds; i++){
  227. myevent_s *ev = (struct myevent_s*)events[i].data.ptr;
  228. if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN)) // read event
  229. {
  230. ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
  231. }
  232. if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT)) // write event
  233. {
  234. ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
  235. }
  236. }
  237. }
  238. // free resource
  239. return 0;
  240. }     
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