IO多路复用之epoll
1、基本知识
epoll是在2.6内核中提出的，是之前的select和poll的增强版本。相对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。
2、epoll接口
epoll操作过程需要三个接口，分别如下：
#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
（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：
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。
3、工作模式
epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT（level trigger）和ET（edge trigger）。LT模式是默认模式，LT模式与ET模式的区别如下：
LT模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时，会再次响应应用程序并通知此事件。
ET模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次响应应用程序并通知此事件。
ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。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。
4、测试程序
编写一个服务器回射程序echo，练习epoll过程。
服务器代码如下所示：
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <string.h>
4 #include <errno.h>
5
6 #include <netinet/in.h>
7 #include <sys/socket.h>
8 #include <arpa/inet.h>
9 #include <sys/epoll.h>
10 #include <unistd.h>
11 #include <sys/types.h>
12
13 #define IPADDRESS "127.0.0.1"
14 #define PORT 8787
15 #define MAXSIZE 1024
16 #define LISTENQ 5
17 #define FDSIZE 1000
18 #define EPOLLEVENTS 100
19
20 //函数声明
21 //创建套接字并进行绑定
22 static int socket_bind(const char* ip,int port);
23 //IO多路复用epoll
24 static void do_epoll(int listenfd);
25 //事件处理函数
26 static void
27 handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int listenfd,char *buf);
28 //处理接收到的连接
29 static void handle_accpet(int epollfd,int listenfd);
30 //读处理
31 static void do_read(int epollfd,int fd,char *buf);
32 //写处理
33 static void do_write(int epollfd,int fd,char *buf);
34 //添加事件
35 static void add_event(int epollfd,int fd,int state);
36 //修改事件
37 static void modify_event(int epollfd,int fd,int state);
38 //删除事件
39 static void delete_event(int epollfd,int fd,int state);
40
41 int main(int argc,char *argv[])
42 {
43 int listenfd;
44 listenfd = socket_bind(IPADDRESS,PORT);
45 listen(listenfd,LISTENQ);
46 do_epoll(listenfd);
47 return 0;
48 }
49
50 static int socket_bind(const char* ip,int port)
51 {
52 int listenfd;
53 struct sockaddr_in servaddr;
54 listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
55 if (listenfd == -1)
56 {
57 perror("socket error:");
58 exit(1);
59 }
60 bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
61 servaddr.sin_family = AF_INET;
62 inet_pton(AF_INET,ip,&servaddr.sin_addr);
63 servaddr.sin_port = htons(port);
64 if (bind(listenfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr)) == -1)
65 {
66 perror("bind error: ");
67 exit(1);
68 }
69 return listenfd;
70 }
71
72 static void do_epoll(int listenfd)
73 {
74 int epollfd;
75 struct epoll_event events[EPOLLEVENTS];
76 int ret;
77 char buf[MAXSIZE];
78 memset(buf,0,MAXSIZE);
79 //创建一个描述符
80 epollfd = epoll_create(FDSIZE);
81 //添加监听描述符事件
82 add_event(epollfd,listenfd,EPOLLIN);
83 for ( ; ; )
84 {
85 //获取已经准备好的描述符事件
86 ret = epoll_wait(epollfd,events,EPOLLEVENTS,-1);
87 handle_events(epollfd,events,ret,listenfd,buf);
88 }
89 close(epollfd);
90 }
91
92 static void
93 handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int listenfd,char *buf)
94 {
95 int i;
96 int fd;
97 //进行选好遍历
98 for (i = 0;i < num;i++)
99 {
100 fd = events[i].data.fd;
101 //根据描述符的类型和事件类型进行处理
102 if ((fd == listenfd) &&(events[i].events & EPOLLIN))
103 handle_accpet(epollfd,listenfd);
104 else if (events[i].events & EPOLLIN)
105 do_read(epollfd,fd,buf);
106 else if (events[i].events & EPOLLOUT)
107 do_write(epollfd,fd,buf);
108 }
109 }
110 static void handle_accpet(int epollfd,int listenfd)
111 {
112 int clifd;
113 struct sockaddr_in cliaddr;
114 socklen_t cliaddrlen;
115 clifd = accept(listenfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&cliaddrlen);
116 if (clifd == -1)
117 perror("accpet error:");
118 else
119 {
120 printf("accept a new client: %s:%d\n",inet_ntoa(cliaddr.sin_addr),cliaddr.sin_port);
121 //添加一个客户描述符和事件
122 add_event(epollfd,clifd,EPOLLIN);
123 }
124 }
125
126 static void do_read(int epollfd,int fd,char *buf)
127 {
128 int nread;
129 nread = read(fd,buf,MAXSIZE);
130 if (nread == -1)
131 {
132 perror("read error:");
133 close(fd);
134 delete_event(epollfd,fd,EPOLLIN);
135 }
136 else if (nread == 0)
137 {
138 fprintf(stderr,"client close.\n");
139 close(fd);
140 delete_event(epollfd,fd,EPOLLIN);
141 }
142 else
143 {
144 printf("read message is : %s",buf);
145 //修改描述符对应的事件，由读改为写
146 modify_event(epollfd,fd,EPOLLOUT);
147 }
148 }
149
150 static void do_write(int epollfd,int fd,char *buf)
151 {
152 int nwrite;
153 nwrite = write(fd,buf,strlen(buf));
154 if (nwrite == -1)
155 {
156 perror("write error:");
157 close(fd);
158 delete_event(epollfd,fd,EPOLLOUT);
159 }
160 else
161 modify_event(epollfd,fd,EPOLLIN);
162 memset(buf,0,MAXSIZE);
163 }
164
165 static void add_event(int epollfd,int fd,int state)
166 {
167 struct epoll_event ev;
168 ev.events = state;
169 ev.data.fd = fd;
170 epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev);
171 }
172
173 static void delete_event(int epollfd,int fd,int state)
174 {
175 struct epoll_event ev;
176 ev.events = state;
177 ev.data.fd = fd;
178 epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,&ev);
179 }
180
181 static void modify_event(int epollfd,int fd,int state)
182 {
183 struct epoll_event ev;
184 ev.events = state;
185 ev.data.fd = fd;
186 epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&ev);
187 }
客户端也用epoll实现，控制STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO、和sockfd三个描述符，程序如下所示：
1 #include <netinet/in.h>
2 #include <sys/socket.h>
3 #include <stdio.h>
4 #include <string.h>
5 #include <stdlib.h>
6 #include <sys/epoll.h>
7 #include <time.h>
8 #include <unistd.h>
9 #include <sys/types.h>
10 #include <arpa/inet.h>
11
12 #define MAXSIZE 1024
13 #define IPADDRESS "127.0.0.1"
14 #define SERV_PORT 8787
15 #define FDSIZE 1024
16 #define EPOLLEVENTS 20
17
18 static void handle_connection(int sockfd);
19 static void
20 handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int sockfd,char *buf);
21 static void do_read(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf);
22 static void do_read(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf);
23 static void do_write(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf);
24 static void add_event(int epollfd,int fd,int state);
25 static void delete_event(int epollfd,int fd,int state);
26 static void modify_event(int epollfd,int fd,int state);
27
28 int main(int argc,char *argv[])
29 {
30 int sockfd;
31 struct sockaddr_in servaddr;
32 sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
33 bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
34 servaddr.sin_family = AF_INET;
35 servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
36 inet_pton(AF_INET,IPADDRESS,&servaddr.sin_addr);
37 connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));
38 //处理连接
39 handle_connection(sockfd);
40 close(sockfd);
41 return 0;
42 }
43
44
45 static void handle_connection(int sockfd)
46 {
47 int epollfd;
48 struct epoll_event events[EPOLLEVENTS];
49 char buf[MAXSIZE];
50 int ret;
51 epollfd = epoll_create(FDSIZE);
52 add_event(epollfd,STDIN_FILENO,EPOLLIN);
53 for ( ; ; )
54 {
55 ret = epoll_wait(epollfd,events,EPOLLEVENTS,-1);
56 handle_events(epollfd,events,ret,sockfd,buf);
57 }
58 close(epollfd);
59 }
60
61 static void
62 handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int sockfd,char *buf)
63 {
64 int fd;
65 int i;
66 for (i = 0;i < num;i++)
67 {
68 fd = events[i].data.fd;
69 if (events[i].events & EPOLLIN)
70 do_read(epollfd,fd,sockfd,buf);
71 else if (events[i].events & EPOLLOUT)
72 do_write(epollfd,fd,sockfd,buf);
73 }
74 }
75
76 static void do_read(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf)
77 {
78 int nread;
79 nread = read(fd,buf,MAXSIZE);
80 if (nread == -1)
81 {
82 perror("read error:");
83 close(fd);
84 }
85 else if (nread == 0)
86 {
87 fprintf(stderr,"server close.\n");
88 close(fd);
89 }
90 else
91 {
92 if (fd == STDIN_FILENO)
93 add_event(epollfd,sockfd,EPOLLOUT);
94 else
95 {
96 delete_event(epollfd,sockfd,EPOLLIN);
97 add_event(epollfd,STDOUT_FILENO,EPOLLOUT);
98 }
99 }
100 }
101
102 static void do_write(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf)
103 {
104 int nwrite;
105 nwrite = write(fd,buf,strlen(buf));
106 if (nwrite == -1)
107 {
108 perror("write error:");
109 close(fd);
110 }
111 else
112 {
113 if (fd == STDOUT_FILENO)
114 delete_event(epollfd,fd,EPOLLOUT);
115 else
116 modify_event(epollfd,fd,EPOLLIN);
117 }
118 memset(buf,0,MAXSIZE);
119 }
120
121 static void add_event(int epollfd,int fd,int state)
122 {
123 struct epoll_event ev;
124 ev.events = state;
125 ev.data.fd = fd;
126 epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev);
127 }
128
129 static void delete_event(int epollfd,int fd,int state)
130 {
131 struct epoll_event ev;
132 ev.events = state;
133 ev.data.fd = fd;
134 epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,&ev);
135 }
136
137 static void modify_event(int epollfd,int fd,int state)
138 {
139 struct epoll_event ev;
140 ev.events = state;
141 ev.data.fd = fd;
142 epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&ev);
143 }
5、测试结果
参考资料：
http://www.cnblogs.com/OnlyXP/archive/2007/08/10/851222.html
http://www.cnblogs.com/lexus/archive/2011/11/19/2254798.html
epoll精髓
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，但这似乎并不治本。
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：
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。
--------------------------------------------------------------------------------------------
从man手册中，得到ET和LT的具体描述如下
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(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（这句话不理解）。
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。（未测试）
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.
ssize_t socket_send(int sockfd, const char* buffer, size_t buflen)
{
ssize_t tmp;
size_t total = buflen;
const char *p = buffer;
while(1)
{
tmp = send(sockfd, p, total, 0);
if(tmp < 0)
{
// 当send收到信号时,可以继续写,但这里返回-1.
if(errno == EINTR)
return -1;
// 当socket是非阻塞时,如返回此错误,表示写缓冲队列已满,
// 在这里做延时后再重试.
if(errno == EAGAIN)
{
usleep(1000);
continue;
}
return -1;
}
if((size_t)tmp == total)
return buflen;
total -= tmp;
p += tmp;
}
return tmp;
}
