IO复用之epoll系列
epoll是什么？
epoll是Linux内核为处理大批量文件描述符而作了改进的poll，是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本，它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。另一点原因就是获取事件的时候，它无须遍历整个被侦听的描述符集，只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符集合就行了。epoll除了提供select/poll那种IO事件的水平触发（Level Triggered）外，还提供了边缘触发（Edge Triggered），这就使得用户空间程序有可能缓存IO状态，减少epoll_wait/epoll_pwait的调用，提高应用程序效率
----摘自百度百科
在linux的网络编程中，很长的时间都在使用select来做事件触发。在linux新的内核中，有了一种替换它的机制，就是epoll。
相比于select，epoll最大的好处在于它不会随着监听fd数目的增长而降低效率。因为在内核中的select实现中，它是采用轮询来处理的，轮询的fd数目越多，自然耗时越多。并且，在include/linux/posix_types.h头文件有这样的声明：
#define __FD_SETSIZE 1024
表示select最多同时监听1024个fd，当然，可以通过修改头文件再重编译内核来扩大这个数目。
epoll的相关接口
创建一个文件句柄
#include <sys/epoll.h> int epoll_create(int size);
创建一个 epoll 对象，这里类似于创建管道，但是这里返回的是一个标识该软件资源的文件描述符，在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽
epoll的事件注册函数
#include <sys/epoll.h> int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
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文件描述符，
第四个参数为一个结构体指针，这个结构体中的信息为告诉内核需要监听什么事件
struct epoll_event结构如下：
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;
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
data 为联合体，用来保存用户自定制数据，传什么类型的数据，就对联合体里面的哪个数据进行赋值
这里的data 在一般情况下用保存对应的文件描述符
epoll的事件等待函数
#include <sys/epoll.h> int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
第一个参数为我们创建的epoll模型
第二个参数为事件数组
第三个为数组大小
第四个参数为超时时间
epoll对文件描述符的两种操作模式
Edge Triggered (ET) 边缘触发只有数据到来，才触发，不管缓存区中是否还有数据。
Level Triggered (LT) 电平触发只要有数据都会触发。
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(2)，并且无论后面的数据是否被使用，因此他们具有同样的职能。因为即使使用ET模式的epoll，在收到多个chunk的数据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(2)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(2)处理文件句柄就成为调用者必须作的事情。
然后详细解释ET, LT:
LT(level triggered)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，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的，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．
ET(edge-triggered)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告诉你。然后它会假设你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，直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了(比如，你在发送，接收或者接收请求，或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK 错误）。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(only once),不过在TCP协议中，ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark确认（在许多测试中我们会看到如果没有大量的idle -connection或者dead-connection，epoll的效率并不会比select/poll高很多，但是当我们遇到大量的idle- connection(例如WAN环境中存在大量的慢速连接)，就会发现epoll的效率大大高于select/poll。
另外，当使用epoll的ET模型来工作时，当产生了一个EPOLLIN事件后，
读数据的时候需要考虑的是当recv()返回的大小如果等于请求的大小，那么很有可能是缓冲区还有数据未读完，也意味着该次事件还没有处理完，所以还需要再次读取
while(rs) { buflen = recv(activeevents[i].data.fd, buf, sizeof(buf), 0); if(buflen < 0) { // 由于是非阻塞的模式,所以当errno为EAGAIN时,表示当前缓冲区已无数据可读 // 在这里就当作是该次事件已处理处. if(errno == EAGAIN) break; else return; } else if(buflen == 0) { // 这里表示对端的socket已正常关闭. } if(buflen == sizeof(buf) rs = 1; // 需要再次读取 else rs = 0; }
还有，假如发送端流量大于接收端的流量(意思是epoll所在的程序读比转发的socket要快),由于是非阻塞的socket,那么send()函数虽然返回,但实际缓冲区的数据并未真正发给接收端,这样不断的读和发，当缓冲区满后会产生EAGAIN错误(参考man send),同时,不理会这次请求发送的数据.所以,需要封装socket_send()的函数用来处理这种情况,该函数会尽量将数据写完再返回，返回-1表示出错。在socket_send()内部,当写缓冲已满(send()返回-1,且errno为EAGAIN),那么会等待后再重试.这种方式并不很完美,在理论上可能会长时间的阻塞在socket_send()内部,但暂没有更好的办法.
epoll的工作原理
1.创建epoll模型
调用epoll_create()之后，内核会做3件事情
（1）在操作系统底层（硬件驱动，网卡）构建会调机制
（2）在操作系统层构建一颗红黑树（一种相对平衡的二叉搜索树），树的每个节点用来保存用户关心的事件（即用户关心的文件描述符和所关心的事件类型）
（3）在操作系统层构建一个就绪队列，保存众多事件中已经就绪的事件
2.用户控制事件
（1） 用户通过调用epoll_ctl()实现实现告诉操作系统，你现在要关心的文件描述符和关心的事件类型
（2）操作系统会将这一事件保存在红黑树中
3.内核激活事件
（1）操作系统得知网卡（文件）上面有数据就绪时（硬件机制），激活该事件，将其存入就绪队列中
（2）用户调用epoll_wait()返回时，返回的为就绪队列中就绪的事件
我们说的epoll_wait()实现是O(1)的时间复杂度，只需要关注就绪队列是否为空,不为空就将事件复制到用户态
代码实例：
#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 <errno.h> using namespace std; #define MAXLINE 5 #define OPEN_MAX 100 #define LISTENQ 20 #define SERV_PORT 5000 #define INFTIM 1000 void setnonblocking(int sock)//将套接字设置为非阻塞 { 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 argc, char* argv[]) { int i, maxi, listenfd, connfd, sockfd,epfd,nfds, portnumber; ssize_t n; char line[MAXLINE]; socklen_t clilen; if ( 2 == argc ) { if( (portnumber = atoi(argv[1])) < 0 ) { fprintf(stderr,"Usage:%s portnumber/a/n",argv[0]); return 1; } } else { fprintf(stderr,"Usage:%s portnumber/a/n",argv[0]); return 1; } struct epoll_event ev,events[20]; //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 epfd=epoll_create(256); //生成用于处理accept的epoll专用的文件描述符 struct sockaddr_in clientaddr; struct sockaddr_in serveraddr; listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); setnonblocking(listenfd); //把socket设置为非阻塞方式 ev.data.fd=listenfd; //设置与要处理的事件相关的文件描述符 ev.events=EPOLLIN|EPOLLET; //设置要处理的事件类型 epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev); //注册epoll事件 bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr)); serveraddr.sin_family = AF_INET; char *local_addr="127.0.0.1"; inet_aton(local_addr,&(serveraddr.sin_addr)); serveraddr.sin_port=htons(portnumber); bind(listenfd,(sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr)); listen(listenfd, LISTENQ); maxi = 0; for ( ; ; ) { nfds=epoll_wait(epfd,events,20,500); //等待epoll事件的发生 for(i=0;i<nfds;++i) //处理所发生的所有事件 { if(events[i].data.fd==listenfd)//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。 { connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen); if(connfd<0){ perror("connfd<0"); exit(1); } char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr); cout << "accapt a connection from " << str << endl; ev.data.fd=connfd; //设置用于读操作的文件描述符 ev.events=EPOLLIN|EPOLLET; //设置用于注测的读操作事件 epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev); //注册ev } 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。 { cout << "EPOLLIN" << endl; if ( (sockfd = events[i].data.fd) < 0) continue; if ( (n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0) { if (errno == ECONNRESET) { close(sockfd); events[i].data.fd = -1; } else std::cout<<"readline error"<<std::endl; } else if (n == 0) { close(sockfd); events[i].data.fd = -1; } line[n] = '/0'; cout << "read " << line << endl; ev.data.fd=sockfd; //设置用于写操作的文件描述符 ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET; //设置用于注测的写操作事件 epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev); //修改sockfd上要处理的事件为EPOLLOUT } else if(events[i].events&EPOLLOUT) // 如果有数据发送 { sockfd = events[i].data.fd; write(sockfd, line, n); ev.data.fd=sockfd; //设置用于读操作的文件描述符 ev.events=EPOLLIN|EPOLLET; //设置用于注测的读操作事件 epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev); //修改sockfd上要处理的事件为EPOLIN } } } return 0; }
