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 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 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。
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 events
epoll_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。
//
// a simple echo server using epoll in linux
//
// 2009-11-05
// by sparkling
//
#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 <errno.h>
#include <iostream>
using namespace std;
#define MAX_EVENTS 500
struct myevent_s
{
int fd;
void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);
int events;
void *arg;
int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in
char buff[128]; // recv data buffer
int len;
long last_active; // last active time
};
// set event
void EventSet(myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void*), void *arg)
{
ev->fd = fd;
ev->call_back = call_back;
ev->events = 0;
ev->arg = arg;
ev->status = 0;
ev->last_active = time(NULL);
}
// add/mod an event to epoll
void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev)
{
struct epoll_event epv = {0, {0}};
int op;
epv.data.ptr = ev;
epv.events = ev->events = events;
if(ev->status == 1){
op = EPOLL_CTL_MOD;
}
else{
op = EPOLL_CTL_ADD;
ev->status = 1;
}
if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0)
printf("Event Add failed[fd=%d]/n", ev->fd);
else
printf("Event Add OK[fd=%d]/n", ev->fd);
}
// delete an event from epoll
void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev)
{
struct epoll_event epv = {0, {0}};
if(ev->status != 1) return;
epv.data.ptr = ev;
ev->status = 0;
epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);
}
int g_epollFd;
myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd
void RecvData(int fd, int events, void *arg);
void SendData(int fd, int events, void *arg);
// accept new connections from clients
void AcceptConn(int fd, int events, void *arg)
{
struct sockaddr_in sin;
socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);
int nfd, i;
// accept
if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1)
{
if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)
{
printf("%s: bad accept", __func__);
}
return;
}
do
{
for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)
{
if(g_Events[i].status == 0)
{
break;
}
}
if(i == MAX_EVENTS)
{
printf("%s:max connection limit[%d].", __func__, MAX_EVENTS);
break;
}
// set nonblocking
if(fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK) < 0) break;
// add a read event for receive data
EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]);
EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, &g_Events[i]);
printf("new conn[%s:%d][time:%d]/n", inet_ntoa(sin.sin_addr), ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active);
}while(0);
}
// receive data
void RecvData(int fd, int events, void *arg)
{
struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;
int len;
// receive data
len = recv(fd, ev->buff, sizeof(ev->buff)-1, 0);
EventDel(g_epollFd, ev);
if(len > 0)
{
ev->len = len;
ev->buff[len] = '/0';
printf("C[%d]:%s/n", fd, ev->buff);
// change to send event
EventSet(ev, fd, SendData, ev);
EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT|EPOLLET, ev);
}
else if(len == 0)
{
close(ev->fd);
printf("[fd=%d] closed gracefully./n", fd);
}
else
{
close(ev->fd);
printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s/n", fd, errno, strerror(errno));
}
}
// send data
void SendData(int fd, int events, void *arg)
{
struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;
int len;
// send data
len = send(fd, ev->buff, ev->len, 0);
ev->len = 0;
EventDel(g_epollFd, ev);
if(len > 0)
{
// change to receive event
EventSet(ev, fd, RecvData, ev);
EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, ev);
}
else
{
close(ev->fd);
printf("recv[fd=%d] error[%d]/n", fd, errno);
}
}
void InitListenSocket(int epollFd, short port)
{
int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking
printf("server listen fd=%d/n", listenFd);
EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVENTS]);
// add listen socket
EventAdd(epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, &g_Events[MAX_EVENTS]);
// bind & listen
sockaddr_in sin;
bzero(&sin, sizeof(sin));
sin.sin_family = AF_INET;
sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
sin.sin_port = htons(port);
bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin));
listen(listenFd, 5);
}
int main(int argc, char **argv)
{
short port = 12345; // default port
if(argc == 2){
port = atoi(argv[1]);
}
// create epoll
g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS);
if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d/n", g_epollFd);
// create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking
InitListenSocket(g_epollFd, port);
// event loop
struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
printf("server running:port[%d]/n", port);
int checkPos = 0;
while(1){
// a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event
long now = time(NULL);
for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd
{
if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle
if(g_Events[checkPos].status != 1) continue;
long duration = now - g_Events[checkPos].last_active;
if(duration >= 60) // 60s timeout
{
close(g_Events[checkPos].fd);
printf("[fd=%d] timeout[%d--%d]./n", g_Events[checkPos].fd, g_Events[checkPos].last_active, now);
EventDel(g_epollFd, &g_Events[checkPos]);
}
}
// wait for events to happen
int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000);
if(fds < 0){
printf("epoll_wait error, exit/n");
break;
}
for(int i = 0; i < fds; i++){
myevent_s *ev = (struct myevent_s*)events[i].data.ptr;
if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN)) // read event
{
ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
}
if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT)) // write event
{
ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
}
}
}
// free resource
return 0;
}