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Linux2.6内核中epoll用法详解

2017年12月15日 ⁄ 综合 ⁄ 共 8092字 ⁄ 字号 小 中 大 ⁄ 评论关闭

epoll是linux2.6内核中才有的机制，其他版本内核中是没有的，是Linux2.6内核引入的多路复用IO的一种方式，用于提高网络IO性能的方法。在linux网络编程中，很长一段时间都是采用select来实现多事件触发处理的。Select存在如下几个方面的问题：一是每次调用时要重复地从用户态读入参数，二是每次调用时要重复地扫描文件描述符，三是每次在调用开始时，要把当前进程放入各个文件描述符的等待队列。在调用结束后，又把进程从各个等待队列中删除。Select采用轮询的方式来处理事件触发，当随着监听socket的文件描述符fd的数量增加时，轮询的时间也就越长，造成效率低下。而且linux/posix_types.h中有#define
__FD_SETSIZE 1024(也有说2048的)的定义，也就是说linux select能监听的最大fd数目是1024个，虽然能通过内核修改此参数，但这是治标不治本。
    epoll的出现可以有效的解决select效率低下的问题，epoll把参数拷贝到内核态，在每次轮询时不会重复拷贝。epoll有ET和LT两种工作模式，ET是高速模式只能以非阻塞方式进行，LT相当于快速的select，可以才有阻塞和非阻塞两种方式，epoll通过把操作拆分为epoll_create,epoll_ctl,epoll_wait三个步骤避免重复地遍历要监视的文件描述符。

EPOLL事件有两种模型：
Edge Triggered (ET)
Level Triggered (LT)

假如有这样一个例子：
1. 我们已经把一个用来从管道中读取数据的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符
2. 这个时候从管道的另一端被写入了2KB的数据
3. 调用epoll_wait(2)，并且它会返回RFD，说明它已经准备好读取操作
4. 然后我们读取了1KB的数据
5. 调用epoll_wait(2)......

Edge Triggered 工作模式：
      如果我们在第1步将RFD添加到epoll描述符的时候使用了EPOLLET标志，那么在第5步调用epoll_wait(2)之后将有可能会挂起，因为剩余的数据还存在于文件的输入缓冲区内，而且数据发出端还在等待一个针对已经发出数据的反馈信息。只有在监视的文件句柄上发生了某个事件的时候 ET 工作模式才会汇报事件。因此在第5步的时候，调用者可能会放弃等待仍在存在于文件输入缓冲区内的剩余数据。在上面的例子中，会有一个事件产生在RFD句柄上，因为在第2步执行了一个写操作，然后，事件将会在第3步被销毁。因为第4步的读取操作没有读空文件输入缓冲区内的数据，因此我们在第5步调用epoll_wait(2)完成后，是否挂起是不确定的。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。最好以下面的方式调用ET模式的epoll接口，在后面会介绍避免可能的缺陷。
       i    基于非阻塞文件句柄
       ii   只有当read(2)或者write(2)返回EAGAIN时才需要挂起，等待。但这并不是说每次read()时都需要循环读，直到读到产生一个EAGAIN才认为此次事件处理完成，当read()返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时，就可以确定此时缓冲中已没有数据了，也就可以认为此事读事件已处理完成。

      Level Triggered 工作模式
      相反的，以LT方式调用epoll接口的时候，它就相当于一个速度比较快的poll/select，在poll能用的地方epoll都可以用，因为他们具有同样的职能。即使使用ET模式的epoll，在收到多个数据包的时候仍然会产生多个事件。调用者可以设定EPOLLONESHOT标志，在 epoll_wait收到事件后epoll会与事件关联的文件句柄从epoll描述符中禁止掉。因此当EPOLLONESHOT设定后，使用带有 EPOLL_CTL_MOD标志的epoll_ctl处理文件句柄就成为调用者必须作的事情。

      以上是man手册对epoll中两种模式的简要介绍，这里有必要对两种模式进行详细的介绍：

LT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，内核会告诉调用者一个文件描述符是否就绪了，然后调用者可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知调用者的，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。LT模式跟select有一样的语义。就是如果可读就触发。比如某管道原来为空，如果有一个进程写入2k数据，就会触发。如果处理进程读取1k数据，下次轮询时继续触发。该模式下，默认不可读，只有epoll通知可读才是可读，否则不可读。

ET是高速工作方式，只支持no-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告诉调用者，然后它会假设调用者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，直到调用者做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了。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。该模式与select有不同的语义，只有当从不可读变为可读时才触发。上面那种情况，还有1k可读，所以不会触发，当继续读，直到返回EAGAIN时，变为不可读，如果再次变为可读就触发。默认可读，调用者可以随便读，直到发生EAGAIN。可读时读和不读，怎么读都由调用者自己决定，中间epoll不管。EAGAIN后不可读了，等到再次可读，epoll会再通知一次。理解ET模式最重要的就是理解状态的变化，对于监听可读事件时,如果是socket是监听socket，那么当有新的主动连接到来为状态发生变化；对一般的socket而言，协议栈中相应的缓冲区有新的数据为状态发生变化。但是，如果在一个时间同时接收了N个连接(N>1)，但是监听socket只accept了一个连接，那么其它未 accept的连接将不会在ET模式下给监听socket发出通知，此时状态不发生变化；对于一般的socket，如果对应的缓冲区本身已经有了N字节的数据，而只取出了小于N字节的数据，那么残存的数据不会造成状态发生变化。

epoll的LT和ET的区别

LT：水平触发，效率会低于ET触发，尤其在大并发，大流量的情况下。但是LT对代码编写要求比较低，不容易出现问题。LT模式服务编写上的表现是：只要有数据没有被获取，内核就不断通知你，因此不用担心事件丢失的情况。
ET：边缘触发，效率非常高，在并发，大流量的情况下，会比LT少很多epoll的系统调用，因此效率高。但是对编程要求高，需要细致的处理每个请求，否则容易发生丢失事件的情况。
下面举一个列子来说明LT和ET的区别（都是非阻塞模式，阻塞就不说了，效率太低）：
采用LT模式下， 如果accept调用有返回就可以马上建立当前这个连接了，再epoll_wait等待下次通知，和select一样。
但是对于ET而言，如果accpet调用有返回，除了建立当前这个连接外，不能马上就epoll_wait还需要继续循环accpet，直到返回-1，且errno==EAGAIN，TAF里面的示例代码：

if(ev.events & EPOLLIN)
{
    do
    {
        struct sockaddr_in stSockAddr;
        socklen_t iSockAddrSize = sizeof(sockaddr_in);
        TC_Socket cs;
        cs.setOwner(false);
        //接收连接
        TC_Socket s;
        s.init(fd, false, AF_INET);
        int iRetCode = s.accept(cs, (struct sockaddr *) &stSockAddr,
iSockAddrSize);
        if (iRetCode > 0)
        {
            ...建立连接
        }
        else
        {
            //直到发生EAGAIN才不继续accept
            if(errno == EAGAIN)
            {
                break;
            }
        }
    }while(true);
}

ET模式仅当状态发生变化的时候才获得通知,这里所谓的状态的变化并不包括缓冲区中还有未处理的数据,也就是说,如果要采用ET模式, 需要一直read/write直到出错为止,很多人反映为什么采用ET模式只接收了一部分数据就再也得不到通知了,大多因为这样;而LT模式是只要有数据 没有处理就会一直通知下去的.

同样，recv/send等函数， 都需要到errno==EAGAIN

从本质上讲：与LT相比，ET模型是通过减少系统调用来达到提高并行效率的。

epoll的接口非 常简单，一共就三个函数：
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，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：

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 */
};

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。

下面给出一个完整的服务器端例子：

  1. #include <iostream> 
  2. #include <sys/socket.h> 
  3. #include <sys/epoll.h> 
  4. #include <netinet/in.h> 
  5. #include <arpa/inet.h> 
  6. #include <fcntl.h> 
  7. #include <unistd.h> 
  8. #include <stdio.h> 
  9. #include <errno.h> 
  11. using namespace std; 
  13. #define MAXLINE 5 
  14. #define OPEN_MAX 100 
  15. #define LISTENQ 20 
  16. #define SERV_PORT 5000 
  17. #define INFTIM 1000 
  19. void setnonblocking(int sock) 
  20. { 
  21. int opts; 
  22. opts=fcntl(sock,F_GETFL); 
  23. if(opts<0) 
  24. { 
  25. perror("fcntl(sock,GETFL)"); 
  26. exit(1); 
  27. } 
  28. opts = opts|O_NONBLOCK; 
  29. if(fcntl(sock,F_SETFL,opts)<0) 
  30. { 
  31. perror("fcntl(sock,SETFL,opts)"); 
  32. exit(1); 
  33. } 
  34. } 
  36. int main(int argc, char* argv[]) 
  37. { 
  38. int i, maxi, listenfd, connfd, sockfd,epfd,nfds, portnumber; 
  39. ssize_t n; 
  40. char line[MAXLINE]; 
  41. socklen_t clilen; 
  43. if ( 2 == argc ) 
  44. { 
  45. if( (portnumber = atoi(argv[1])) < 0 ) 
  46. { 
  47. fprintf(stderr,"Usage:%s portnumber\a\n",argv[0]); 
  48. return 1; 
  49. } 
  50. } 
  51. else 
  52. { 
  53. fprintf(stderr,"Usage:%s portnumber\a\n",argv[0]); 
  54. return 1; 
  55. } 
  57. //声明epoll_event结构体的变量,ev用于注册事件,数组用于回传要 处理的事件 
  58. struct epoll_event ev,events[20]; 
  59. //生成用于处理accept的epoll专用的文件描述符 
  60. epfd=epoll_create(256); 
  61. struct sockaddr_in clientaddr; 
  62. struct sockaddr_in serveraddr; 
  63. listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
  64. //把socket设 置为非阻塞方式 
  65. //setnonblocking(listenfd); 
  66. //设置与要处理的事件相关的文件描述符 
  67. ev.data.fd=listenfd; 
  68. //设置要处理的事件类型 
  69. ev.events=EPOLLIN|EPOLLET; 
  70. //ev.events=EPOLLIN; 
  72. //注册epoll事件 
  73. epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev); 
  74. bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr)); 
  75. serveraddr.sin_family = AF_INET; 
  76. char *local_addr="127.0.0.1"; 
  77. inet_aton(local_addr,&(serveraddr.sin_addr));//htons(portnumber); 
  79. serveraddr.sin_port=htons(portnumber); 
  80. bind(listenfd,(sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr)); 
  81. listen(listenfd, LISTENQ); 
  82. maxi = 0; 
  83. for ( ; ; ) { 
  84. //等待epoll事件的发生 
  85. nfds=epoll_wait(epfd,events,20,500); 
  86. //处理所发生的所有事件 
  87. for(i=0;i<nfds;++i) 
  88. { 
  89. if(events[i].data.fd==listenfd)
  90. //如果新监测到一个SOCKET用户连接到了绑定的SOCKET端口，建立新的 连接。 
  91. { 
  92. connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen); 
  93. if(connfd<0){ 
  94. perror("connfd<0"); 
  95. exit(1); 
  96. } 
  97. //setnonblocking(connfd); 
  98. char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr); 
  99. cout << "accapt a connection from " << str << endl; 
  100. //设置用于读操作的文件描述符 
  101. ev.data.fd=connfd; 
  102. //设置用于注测的读操作事件 
  103. ev.events=EPOLLIN|EPOLLET; 
  104. //ev.events=EPOLLIN; 
  105. //注册ev 
  106. epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev); 
  107. } 
  108. else if(events[i].events&EPOLLIN)//如果是已经连 接的用户，并且收到数据，那么进行读入。 
  109. { 
  110. cout << "EPOLLIN" << endl; 
  111. if ( (sockfd = events[i].data.fd) < 0) 
  112. continue; 
  113. if ( (n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0) { 
  114. if (errno == ECONNRESET) { 
  115. close(sockfd); 
  116. events[i].data.fd = -1; 
  117. } else 
  118. std::cout<<"readline error"<<std::endl; 
  119. } else if (n == 0) { 
  120. close(sockfd); 
  121. events[i].data.fd = -1; 
  122. } 
  123. line[n] = '\0'; 
  124. cout << "read " << line << endl; 
  125. //设置用于写操作的文件描述符 
  126. ev.data.fd=sockfd; 
  127. //设置用于注测的写操作事件 
  128. ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET; 
  129. //修改sockfd上要处理的事件为EPOLLOUT 
  130. //epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev); 
  131. } 
  132. else if(events[i].events&EPOLLOUT) // 如果有数据发送 
  133. { 
  134. sockfd = events[i].data.fd; 
  135. write(sockfd, line, n); 
  136. //设置用于读操作的文件描述符 
  137. ev.data.fd=sockfd; 
  138. //设置用于注测的读操作事件 
  139. ev.events=EPOLLIN|EPOLLET; 
  140. //修改sockfd上要处理的事件为EPOLIN 
  141. epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev); 
  142. } 
  143. } 
  144. } 
  145. return 0; 
  146. } 
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