epoll底层结构
在linux 没有实现epoll事件驱动机制之前，我们一般选择用select或者poll等IO多路复用的方法来实现并发服务程序。在大数据、高并发、集群等一些名词唱得火热之年代，select和poll的用武之地越来越有限，风头已经被epoll占尽。
本文便来介绍epoll的实现机制，并附带讲解一下select和poll。通过对比其不同的实现机制，真正理解为何epoll能实现高并发。
select()和poll() IO多路复用模型
select的缺点：
- 单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，通常是1024，当然可以更改数量，但由于select采用轮询的方式扫描文件描述符，文件描述符数量越多，性能越差；(在linux内核头文件中，有这样的定义：#define __FD_SETSIZE 1024)
- 内核 / 用户空间内存拷贝问题，select需要复制大量的句柄数据结构，产生巨大的开销；
- select返回的是含有整个句柄的数组，应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件；
- select的触发方式是水平触发，应用程序如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行IO操作，那么之后每次select调用还是会将这些文件描述符通知进程。
相比select模型，poll使用链表保存文件描述符，因此没有了监视文件数量的限制，但其他三个缺点依然存在。
拿select模型为例，假设我们的服务器需要支持100万的并发连接，则在__FD_SETSIZE 为1024的情况下，则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。除了进程间上下文切换的时间消耗外，从内核/用户空间大量的无脑内存拷贝、数组轮询等，是系统难以承受的。因此，基于select模型的服务器程序，要达到10万级别的并发访问，是一个很难完成的任务。
因此，该epoll上场了。
epoll IO多路复用模型实现机制
由于epoll的实现机制与select/poll机制完全不同，上面所说的 select的缺点在epoll上不复存在。
设想一下如下场景：有100万个客户端同时与一个服务器进程保持着TCP连接。而每一时刻，通常只有几百上千个TCP连接是活跃的(事实上大部分场景都是这种情况)。如何实现这样的高并发？
在select/poll时代，服务器进程每次都把这100万个连接告诉操作系统(从用户态复制句柄数据结构到内核态)，让操作系统内核去查询这些套接字上是否有事件发生，轮询完后，再将句柄数据复制到用户态，让服务器应用程序轮询处理已发生的网络事件，这一过程资源消耗较大，因此，select/poll一般只能处理几千的并发连接。
epoll的设计和实现与select完全不同。epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统(文件系统一般用什么数据结构实现？B+树)。把原先的select/poll调用分成了3个部分：
1）调用epoll_create()建立一个epoll对象(在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源)
2）调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接的套接字
3）调用epoll_wait收集发生的事件的连接
如此一来，要实现上面说是的场景，只需要在进程启动时建立一个epoll对象，然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同时，epoll_wait的效率也非常高，因为调用epoll_wait时，并没有一股脑的向操作系统复制这100万个连接的句柄数据，内核也不需要去遍历全部的连接。
下面来看看Linux内核具体的epoll机制实现思路。
当某一进程调用epoll_create方法时，Linux内核会创建一个eventpoll结构体，这个结构体中有两个成员与epoll的使用方式密切相关。eventpoll结构体如下所示：
struct eventpoll{ .... /*红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/ struct rb_root rbr; /*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/ struct list_head rdlist; .... };
每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体，用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。这些事件都会挂载在红黑树中，如此，重复添加的事件就可以通过红黑树而高效的识别出来(红黑树的插入时间效率是lgn，其中n为树的高度)。
而所有添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系，也就是说，当相应的事件发生时会调用这个回调方法。这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback,它会将发生的事件添加到rdlist双链表中。
在epoll中，对于每一个事件，都会建立一个epitem结构体，如下所示：
struct epitem{ struct rb_node rbn;//红黑树节点 struct list_head rdllink;//双向链表节点 struct epoll_filefd ffd; //事件句柄信息 struct eventpoll *ep; //指向其所属的eventpoll对象 struct epoll_event event; //期待发生的事件类型 }
当调用epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不为空，则把发生的事件复制到用户态，同时将事件数量返回给用户。
epoll数据结构示意图
从上面的讲解可知：通过红黑树和双链表数据结构，并结合回调机制，造就了epoll的高效。
OK，讲解完了Epoll的机理，我们便能很容易掌握epoll的用法了。一句话描述就是：三步曲。
第一步：epoll_create()系统调用。此调用返回一个句柄，之后所有的使用都依靠这个句柄来标识。
第二步：epoll_ctl()系统调用。通过此调用向epoll对象中添加、删除、修改感兴趣的事件，返回0标识成功，返回-1表示失败。
第三部：epoll_wait()系统调用。通过此调用收集收集在epoll监控中已经发生的事件。
最后，附上一个epoll编程实例。(作者为sparkliang)
1 // 2 // a simple echo server using epoll in linux 3 // 4 // 2009-11-05 5 // 2013-03-22:修改了几个问题，1是/n格式问题，2是去掉了原代码不小心加上的ET模式; 6 // 本来只是简单的示意程序，决定还是加上 recv/send时的buffer偏移 7 // by sparkling 8 // 9 #include <sys/socket.h> 10 #include <sys/epoll.h> 11 #include <netinet/in.h> 12 #include <arpa/inet.h> 13 #include <fcntl.h> 14 #include <unistd.h> 15 #include <stdio.h> 16 #include <errno.h> 17 #include <iostream> 18 using namespace std; 19 #define MAX_EVENTS 500 20 struct myevent_s 21 { 22 int fd; 23 void (*call_back)(int fd, int events, void *arg); 24 int events; 25 void *arg; 26 int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in 27 char buff[128]; // recv data buffer 28 int len, s_offset; 29 long last_active; // last active time 30 }; 31 // set event 32 void EventSet(myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void*), void *arg) 33 { 34 ev->fd = fd; 35 ev->call_back = call_back; 36 ev->events = 0; 37 ev->arg = arg; 38 ev->status = 0; 39 bzero(ev->buff, sizeof(ev->buff)); 40 ev->s_offset = 0; 41 ev->len = 0; 42 ev->last_active = time(NULL); 43 } 44 // add/mod an event to epoll 45 void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev) 46 { 47 struct epoll_event epv = {0, {0}}; 48 int op; 49 epv.data.ptr = ev; 50 epv.events = ev->events = events; 51 if(ev->status == 1){ 52 op = EPOLL_CTL_MOD; 53 } 54 else{ 55 op = EPOLL_CTL_ADD; 56 ev->status = 1; 57 } 58 if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0) 59 printf("Event Add failed[fd=%d], evnets[%d]\n", ev->fd, events); 60 else 61 printf("Event Add OK[fd=%d], op=%d, evnets[%0X]\n", ev->fd, op, events); 62 } 63 // delete an event from epoll 64 void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev) 65 { 66 struct epoll_event epv = {0, {0}}; 67 if(ev->status != 1) return; 68 epv.data.ptr = ev; 69 ev->status = 0; 70 epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv); 71 } 72 int g_epollFd; 73 myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd 74 void RecvData(int fd, int events, void *arg); 75 void SendData(int fd, int events, void *arg); 76 // accept new connections from clients 77 void AcceptConn(int fd, int events, void *arg) 78 { 79 struct sockaddr_in sin; 80 socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in); 81 int nfd, i; 82 // accept 83 if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1) 84 { 85 if(errno != EAGAIN && errno != EINTR) 86 { 87 } 88 printf("%s: accept, %d", __func__, errno); 89 return; 90 } 91 do 92 { 93 for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++) 94 { 95 if(g_Events[i].status == 0) 96 { 97 break; 98 } 99 } 100 if(i == MAX_EVENTS) 101 { 102 printf("%s:max connection limit[%d].", __func__, MAX_EVENTS); 103 break; 104 } 105 // set nonblocking 106 int iret = 0; 107 if((iret = fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0) 108 { 109 printf("%s: fcntl nonblocking failed:%d", __func__, iret); 110 break; 111 } 112 // add a read event for receive data 113 EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]); 114 EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, &g_Events[i]); 115 }while(0); 116 printf("new conn[%s:%d][time:%d], pos[%d]\n", inet_ntoa(sin.sin_addr), 117 ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active, i); 118 } 119 // receive data 120 void RecvData(int fd, int events, void *arg) 121 { 122 struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg; 123 int len; 124 // receive data 125 len = recv(fd, ev->buff+ev->len, sizeof(ev->buff)-1-ev->len, 0); 126 EventDel(g_epollFd, ev); 127 if(len > 0) 128 { 129 ev->len += len; 130 ev->buff[len] = '\0'; 131 printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buff); 132 // change to send event 133 EventSet(ev, fd, SendData, ev); 134 EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT, ev); 135 } 136 else if(len == 0) 137 { 138 close(ev->fd); 139 printf("[fd=%d] pos[%d], closed gracefully.\n", fd, ev-g_Events); 140 } 141 else 142 { 143 close(ev->fd); 144 printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno)); 145 } 146 } 147 // send data 148 void SendData(int fd, int events, void *arg) 149 { 150 struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg; 151 int len; 152 // send data 153 len = send(fd, ev->buff + ev->s_offset, ev->len - ev->s_offset, 0); 154 if(len > 0) 155 { 156 printf("send[fd=%d], [%d<->%d]%s\n", fd, len, ev->len, ev->buff); 157 ev->s_offset += len; 158 if(ev->s_offset == ev->len) 159 { 160 // change to receive event 161 EventDel(g_epollFd, ev); 162 EventSet(ev, fd, RecvData, ev); 163 EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, ev); 164 } 165 } 166 else 167 { 168 close(ev->fd); 169 EventDel(g_epollFd, ev); 170 printf("send[fd=%d] error[%d]\n", fd, errno); 171 } 172 } 173 void InitListenSocket(int epollFd, short port) 174 { 175 int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 176 fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking 177 printf("server listen fd=%d\n", listenFd); 178 EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVENTS]); 179 // add listen socket 180 EventAdd(epollFd, EPOLLIN, &g_Events[MAX_EVENTS]); 181 // bind & listen 182 sockaddr_in sin; 183 bzero(&sin, sizeof(sin)); 184 sin.sin_family = AF_INET; 185 sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; 186 sin.sin_port = htons(port); 187 bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin)); 188 listen(listenFd, 5); 189 } 190 int main(int argc, char **argv) 191 { 192 unsigned short port = 12345; // default port 193 if(argc == 2){ 194 port = atoi(argv[1]); 195 } 196 // create epoll 197 g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS); 198 if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d\n", g_epollFd); 199 // create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking 200 InitListenSocket(g_epollFd, port); 201 // event loop 202 struct epoll_event events[MAX_EVENTS]; 203 printf("server running:port[%d]\n", port); 204 int checkPos = 0; 205 while(1){ 206 // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event 207 long now = time(NULL); 208 for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd 209 { 210 if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle 211 if(g_Events[checkPos].status != 1) continue; 212 long duration = now - g_Events[checkPos].last_active; 213 if(duration >= 60) // 60s timeout 214 { 215 close(g_Events[checkPos].fd); 216 printf("[fd=%d] timeout[%d--%d].\n", g_Events[checkPos].fd, g_Events[checkPos].last_active, now); 217 EventDel(g_epollFd, &g_Events[checkPos]); 218 } 219 } 220 // wait for events to happen 221 int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000); 222 if(fds < 0){ 223 printf("epoll_wait error, exit\n"); 224 break; 225 } 226 for(int i = 0; i < fds; i++){ 227 myevent_s *ev = (struct myevent_s*)events[i].data.ptr; 228 if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN)) // read event 229 { 230 ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg); 231 } 232 if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT)) // write event 233 { 234 ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg); 235 } 236 } 237 } 238 // free resource 239 return 0; 240 }
