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EPOLL的工作原理及流程

一.Epoll是什么(me)?

epoll是(shi)個什么(me)東(dong)東(dong)呢?按照man手(shou)冊(ce)的說法(fa)：是(shi)為(wei)處理大批量句柄而作了(le)改進的poll。當然，這不是(shi)2.6內核才有的，它(ta)是(shi)在2.5.44內核中(zhong)被(bei)引進的(epoll(4) is a new API introduced in Linux kernel 2.5.44)，它(ta)幾(ji)乎具備了(le)之前(qian)所說的一切優點，被(bei)公認為(wei)Linux2.6下性能最好的多路I/O就(jiu)緒(xu)通知方法(fa)。

二.epoll與poll和select對比(bi)

[1]select 的缺點：

單個進程能夠(gou)監視的文(wen)件描述符(fu)(fu)的數量存在(zai)最大限制，通常是1024，當(dang)然可以更改數量，但由于select采用輪詢(xun)的方式掃描文(wen)件描述符(fu)(fu)，文(wen)件描述符(fu)(fu)數量越(yue)多(duo)，性能越(yue)差;(在(zai)linux內核頭(tou)文(wen)件中，有這樣的定義(yi)：#define __FD_SETSIZE 1024)

內(nei)(nei)核 / 用(yong)戶空(kong)間內(nei)(nei)存(cun)拷貝問題，select需(xu)要(yao)復制大量的(de)句柄數據結(jie)構，產生巨大的(de)開銷;

select返(fan)回的(de)是含有整個(ge)句柄的(de)數(shu)組(zu)，應用程序需要遍歷整個(ge)數(shu)組(zu)才能(neng)發(fa)現哪些句柄發(fa)生了事件(jian);

select中應用程(cheng)序(xu)如(ru)果沒有完成對一個已經就(jiu)緒的文(wen)件(jian)描述(shu)(shu)符(fu)進行IO操(cao)作，那(nei)么之(zhi)后每次select調用還是會將(jiang)這些文(wen)件(jian)描述(shu)(shu)符(fu)通知(zhi)進程(cheng)。

相對于(yu)我(wo)們的select模型，我(wo)們的poll是使用(yong)鏈(lian)表保(bao)持文件描述符，因此沒有(you)了(le)監視(shi)文件數量的限制(zhi)，但(dan)是2，3，4等缺(que)點依(yi)舊存(cun)在。

拿select模型為(wei)例(li)，假設我們的(de)(de)(de)服務器需要(yao)支持100萬的(de)(de)(de)并發(fa)連(lian)接，則(ze)在__FD_SETSIZE 為(wei)1024的(de)(de)(de)情(qing)況下(xia)，則(ze)我們至少需要(yao)開辟1k個進(jin)程(cheng)才能實現100萬的(de)(de)(de)并發(fa)連(lian)接。除(chu)了進(jin)程(cheng)間上下(xia)文切換的(de)(de)(de)時間消耗(hao)外，從內(nei)核/用(yong)戶空間大量的(de)(de)(de)無腦內(nei)存拷貝、數組輪詢等，是(shi)系統難(nan)以承受的(de)(de)(de)。因此(ci)，基于select模型的(de)(de)(de)服務器程(cheng)序，要(yao)達到(dao)10萬級別(bie)的(de)(de)(de)并發(fa)訪問(wen)，是(shi)一個很難(nan)完(wan)成的(de)(de)(de)任務。

因此，該epoll上場了(le)。

三(san).Epoll的工作原(yuan)理

設想一(yi)下如下場景(jing)：有100萬個(ge)客戶(hu)端同時(shi)(shi)與一(yi)個(ge)服務器進(jin)程保持著TCP連接。而每一(yi)時(shi)(shi)刻(ke)，通常只(zhi)有幾(ji)百上(shang)千個(ge)TCP連接是活躍的(事實(shi)上(shang)大部分(fen)場景(jing)都是這(zhe)種情況)。如何實(shi)現這(zhe)樣的高(gao)并發?

在(zai)select/poll時代(dai)，服務器進程每次(ci)都(dou)把這100萬個連接(jie)告訴操作(zuo)(zuo)系統(從用(yong)戶態(tai)復制句柄數(shu)據結構到(dao)內核態(tai))，讓(rang)操作(zuo)(zuo)系統內核去查詢這些套接(jie)字上是否(fou)有事(shi)件發(fa)生，輪詢完后(hou)，再將(jiang)句柄數(shu)據復制到(dao)用(yong)戶態(tai)，讓(rang)服務器應用(yong)程序輪詢處(chu)理已發(fa)生的(de)網絡事(shi)件，這一(yi)(yi)過程資(zi)源消(xiao)耗(hao)較大，因此，select/poll一(yi)(yi)般只能(neng)處(chu)理幾(ji)千的(de)并發(fa)連接(jie)。

epoll的(de)設計(ji)和實現(xian)與select完全(quan)不同。epoll通(tong)過(guo)在Linux內核中申請一個簡(jian)易的(de)文(wen)件系(xi)統(文(wen)件系(xi)統一般用什么(me)數(shu)據結構實現(xian)?二叉樹(shu)樹(shu))。然后(hou)epoll的(de)調用分成了3個部分：

1)調(diao)用(yong)epoll_create()建立一個epoll對(dui)象(在(zai)epoll文件系統中為這個句(ju)柄對(dui)象分配資源)

2)調用epoll_ctl向epoll對象中(zhong)添(tian)加這100萬個連接的套接字(zi)

3)調用epoll_wait收集(ji)發生的事件的連接

 如(ru)此一(yi)來，要(yao)實現(xian)上(shang)面(mian)說是的場(chang)景，只需(xu)(xu)要(yao)在(zai)進程啟動(dong)時(shi)(shi)建立一(yi)個epoll對(dui)象(xiang)(xiang)，然后在(zai)需(xu)(xu)要(yao)的時(shi)(shi)候向這個epoll對(dui)象(xiang)(xiang)中添加或者刪(shan)除(chu)連接(jie)(jie)。同時(shi)(shi)，epoll_wait的效率也非常高，因為調用epoll_wait時(shi)(shi)，并沒(mei)有一(yi)股腦的向操(cao)作(zuo)系統復(fu)制這100萬(wan)個連接(jie)(jie)的句(ju)柄數(shu)據，內(nei)核也不需(xu)(xu)要(yao)去遍歷(li)全部的連接(jie)(jie)。

具體流程：

[1]當我們(men)某個(ge)進程調用(yong)epoll_create()函(han)數的時候(hou)，linux內核會默認創建(jian)一個(ge)eventpoll結(jie)構(gou)體，這(zhe)個(ge)結(jie)構(gou)體中有兩個(ge)成員與epoll的使用(yong)方式相關。

每一個(ge)epoll對象(xiang)都有一個(ge)獨(du)立(li)的eventpoll結構(gou)體(ti)，用于(yu)存放通(tong)(tong)過epoll_ctl方法向epoll對象(xiang)中添加(jia)進來(lai)的事(shi)(shi)件。這些事(shi)(shi)件都會掛(gua)載在紅(hong)黑樹中，如此，重復(fu)添加(jia)的事(shi)(shi)件就可(ke)以通(tong)(tong)過紅(hong)黑樹而高效的識別出來(lai).

而所有添加到epoll中的事(shi)件都(dou)會(hui)與設備(網卡)驅(qu)動程(cheng)序(xu)建立回(hui)調(diao)(diao)關系，也就(jiu)是說，當相應的事(shi)件發(fa)生(sheng)時會(hui)調(diao)(diao)用這(zhe)個回(hui)調(diao)(diao)方法。這(zhe)個回(hui)調(diao)(diao)方法在內核中叫ep_poll_callback,它會(hui)將發(fa)生(sheng)的事(shi)件epitem添加到rdlist雙鏈表中。

在epoll中，對于每(mei)一個事件，都會(hui)建(jian)立一個epitem結構(gou)體，如下所示：

當(dang)調用(yong)epoll_wait檢(jian)查是(shi)否有事件發生時(shi)，只(zhi)需要檢(jian)查eventpoll對(dui)象中的rdlist雙鏈表中是(shi)否有epitem元素即可。如果rdlist不為空(kong)，則把(ba)發生的事件復制到用(yong)戶(hu)態，同時(shi)將事件數量返回給用(yong)戶(hu)。

總結：

(1)我們我們調用epoll_wait()函數的時候，系統創建一個epoll對(dui)象，每(mei)個對(dui)象都(dou)有(you)一個

叫(jiao)做eventpoll類型的(de)結構體與之對(dui)應，該(gai)結構體中主要(yao)有兩個主要(yao)的(de)成員，一個是

rbn,代表將要通過(guo)epoll_ctl向epll對象中(zhong)添加的事(shi)件(jian)。這些事(shi)情(qing)都是掛載在紅黑樹中(zhong)。

一個是rdlist，里面存放的(de)是將要發生的(de)事件

(2)當(dang)我們使用epoll_ctrl()函數(shu)的時候，就是向epoll對象中添加(jia)，刪除，修(xiu)改感興(xing)趣的事件(jian)

(3) epoll_wait()系(xi)統。通過此調用收集(ji)在(zai)epoll監控中已經(jing)發生(sheng)的(de)(de)事件。當(dang)監控的(de)(de)事件狀態發生(sheng)改變的(de)(de)時候，我們會(hui)調用會(hui)調用函數把epitem加入到rdlist中去。

一. Epoll的API函(han)數接口

3.1 事件(jian)的創建---epoll_create();

int epoll_create(int size);

int epoll_create1(int flags);

功能：poll_create()創建(jian)(jian)一個(ge)epoll的(de)事例，通知內核需(xu)要監聽(ting)size個(ge)fd。size指的(de)并不是(shi)(shi)最大的(de)后備存儲(chu)設備，而是(shi)(shi)衡量內核內部結構大小的(de)一個(ge)提示。當創建(jian)(jian)成功后，會占用(yong)一個(ge)fd，所以(yi)記(ji)得在使用(yong)完之后調用(yong)close()，否則(ze)fd可能會被耗盡。

Note:自從Linux2.6.8版本以(yi)后，size值其實是(shi)沒什么(me)用的(de)，不過(guo)要大于0，因為(wei)內核可以(yi)動態(tai)的(de)分配大小(xiao)，所以(yi)不需(xu)要size這個提示了。

其次：epoll_create1()函(han)數，其實它和epoll_create差(cha)不多，不同的是epoll_create1函(han)參(can)數flag：

 · 當flag是0時，表示和epoll_create函數完全一樣，不需(xu)要size的提示了;

· 當flag = EPOLL_CLOEXEC，創(chuang)建(jian)的epfd會設置FD_CLOEXEC;

· 當flag = EPOLL_NONBLOCK，創建的(de)epfd會(hui)設(she)置為非阻塞。

一般用(yong)法都是使用(yong)EPOLL_CLOEXEC。

Note:關(guan)于FD_CLOEXEC，它(ta)是fd的一個標識說(shuo)明(ming)，用來設置文件close-on-exec狀態的。當close-on-exec狀態為(wei)0時(shi)(shi)，調用exec時(shi)(shi)，fd不會被關(guan)閉(bi);狀態非(fei)零時(shi)(shi)則(ze)會被關(guan)閉(bi)，這樣做(zuo)可以防(fang)止(zhi)fd泄露給執行(xing)exec后的進程。

返(fan)回值：成功返(fan)回一個非負的文件(jian)描述符。

例如：

int epfd = epoll_create(20); //注：20為隨機(ji)寫(xie)的一(yi)個值，大(da)于0即可(ke)。

或

int epfd = epoll_create1(0);

3.1 事件(jian)的注(zhu)冊---epoll_ctl();

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

功(gong)能：epoll的(de)事(shi)件(jian)(jian)注冊函數(shu)，epoll的(de)事(shi)件(jian)(jian)注冊函數(shu)，它不(bu)同于select()是(shi)在(zai)監(jian)聽事(shi)件(jian)(jian)時告訴內核(he)要監(jian)聽什么類(lei)型(xing)的(de)事(shi)件(jian)(jian)，而是(shi)在(zai)這里先(xian)注冊要監(jian)聽的(de)事(shi)件(jian)(jian)類(lei)型(xing)。

參數：

@epfd epoll_create()函數(shu)的返回值

@op 表(biao)示參數的動(dong)作，常用(yong)以下(xia)宏：

EPOLL_CTL_ADD：注(zhu)冊(ce)新(xin)的fd到epfd中;

EPOLL_CTL_MOD：修改(gai)已(yi)經注冊的fd的監(jian)聽事(shi)件;

EPOLL_CTL_DEL：從epfd中(zhong)刪(shan)除一(yi)個fd;

@fd 表示(shi)我(wo)們需(xu)要監聽的文件描述(shu)符

@event 表示告訴(su)內核，我們需(xu)要(yao)監聽什(shen)么(me)事件。

結構體如下：

typedef union epoll_data

{

void *ptr;

int fd; //保存(cun)我(wo)們使(shi)用(yong)的(de)sockfd

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參數是一(yi)個枚舉的集合，可以(yi)用(yong)” | “來增加事件類型，枚舉如下：

· EPOLLIN ：表示對應(ying)的文(wen)件(jian)描述符可以讀(包括對端SOCKET正常關閉);

· EPOLLOUT：表示對應的(de)文(wen)件描述符可以寫;

· EPOLLPRI：表(biao)示對應的文(wen)件(jian)描述符有緊急的數(shu)據可讀(這里應該(gai)表(biao)示有帶外(wai)數(shu)據到(dao)來(lai));

· EPOLLERR：表示對(dui)應的文(wen)件(jian)描述(shu)符發生錯誤(wu);

· EPOLLHUP：表示對應的文件描述符(fu)被掛(gua)斷;

· EPOLLET： 將EPOLL設為邊緣觸發(Edge Triggered)模式，這是(shi)相對于(yu)水(shui)平觸發(Level Triggered)來(lai)說(shuo)的;

· EPOLLONESHOT：只監聽(ting)一次(ci)(ci)事(shi)件，當(dang)監聽(ting)完這(zhe)次(ci)(ci)事(shi)件之后，如果(guo)還需要繼續監聽(ting)這(zhe)個socket的話，需要再次(ci)(ci)把這(zhe)個socket加(jia)入(ru)到(dao)EPOLL隊(dui)列里

返回(hui)值：成功返回(hui)0，失敗(bai)返回(hui)-1.

3.2等待事件---epoll_wait();

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,int maxevents, int timeout);

功能：收集在epoll監(jian)控的事件中已經發送(song)的事件。

參數：

@epfd epoll_create()函(han)數的返回值(zhi)

@events 已經分配(pei)好的epoll_event結構(gou)體數(shu)組(zu)，epoll會把將發生(sheng)的事情(qing)存放(fang)到events中。

@maxevents 告訴內核events有多(duo)大(da)。必須大(da)于0

@timeout 超時時間(jian) -1 表示epoll將(jiang)無限制(zhi)的(de)等待(dai)下去

0 立即返回

>0 指定超(chao)時(shi)時(shi)間

 返(fan)回(hui)值： 成功返(fan)回(hui)已(yi)經就(jiu)緒的文件描述符個數。若是(shi)設(she)置(zhi)了超(chao)時(shi)時(shi)間，在超(chao)時(shi)時(shi)間內返(fan)回(hui)0.

失敗返回-1.

五.Epoll的(de)工作(zuo)模式。

LT(level triggered)是缺省的工(gong)作方式，并且同(tong)時支

持block和no-block socket.在這種做法中，。當epoll_wait檢(jian)測到(dao)描(miao)述符事(shi)件發生并(bing)將此事(shi)件通知應(ying)(ying)用(yong)(yong)程(cheng)序，應(ying)(ying)用(yong)(yong)程(cheng)序可(ke)以不立(li)即處(chu)理該事(shi)件。下次調(diao)用(yong)(yong)epoll_wait時，會再次響應(ying)(ying)應(ying)(ying)用(yong)(yong)程(cheng)序并(bing)通知此事(shi)件。

ET (edge-triggered)是高(gao)速(su)工作(zuo)方式，常(chang)工作(zuo)在no-block socket。在這種(zhong)模式下(xia)，當(dang)epoll_wait檢測到描(miao)述(shu)符事(shi)(shi)件(jian)發生并將此事(shi)(shi)件(jian)通(tong)知應(ying)(ying)用(yong)程(cheng)(cheng)序(xu)，應(ying)(ying)用(yong)程(cheng)(cheng)序(xu)必(bi)須立(li)即(ji)處理(li)該事(shi)(shi)件(jian)。如果不處理(li)，下(xia)次調用(yong)epoll_wait時，不會再次響應(ying)(ying)應(ying)(ying)用(yong)程(cheng)(cheng)序(xu)并通(tong)知此事(shi)(shi)件(jian)。

EPOLLIN事(shi)件：

EPOLLIN事件則只(zhi)有(you)當對端(duan)(duan)有(you)數據寫(xie)入時才會觸發，所以觸發一次后需(xu)要不斷讀(du)取(qu)所有(you)數據直到讀(du)完EAGAIN為止。否則剩下(xia)(xia)的(de)數據只(zhi)有(you)在下(xia)(xia)次對端(duan)(duan)有(you)寫(xie)入時才能一起(qi)取(qu)出來(lai)了(le)。設想這樣(yang)一個場景：接收端(duan)(duan)接收完整的(de)數據后會向對端(duan)(duan)發送應答報文，

，對端(duan)才會(hui)繼續向(xiang)(xiang)接(jie)收(shou)端(duan)發(fa)(fa)(fa)送數(shu)(shu)據，從而觸(chu)發(fa)(fa)(fa)下一(yi)(yi)次的EPOLLIN，而這時沒有(you)讀完socket緩(huan)沖區(qu)中的所有(you)數(shu)(shu)據，導致接(jie)收(shou)端(duan)無法向(xiang)(xiang)對端(duan)發(fa)(fa)(fa)送應答報文，而對端(duan)沒有(you)收(shou)到應答報文，也(ye)就(jiu)不會(hui)再發(fa)(fa)(fa)送數(shu)(shu)據觸(chu)發(fa)(fa)(fa)下一(yi)(yi)次的EPOLLIN，而沒有(you)下一(yi)(yi)次的EPOLLIN事件，接(jie)收(shou)端(duan)也(ye)就(jiu)永遠不知道此socket緩(huan)沖區(qu)中還有(you)未讀出的數(shu)(shu)據。一(yi)(yi)個完美的死(si)循環)

示例代碼：

實(shi)現多個(ge)客戶端和服務端的回射(she)代碼。

Server.c

Client.c

運行結果：