高并发网络编程之epoll详解
epoll的简介：
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。
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。
// // a simple echo server using epoll in linux
#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, s_offset;
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;
bzero(ev->buff, sizeof(ev->buff));
ev->s_offset = 0;
ev->len = 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], evnets[%d]\n", ev->fd, events);
else
printf("Event Add OK[fd=%d], op=%d, evnets[%0X]\n", ev->fd, op, events);
} // 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: accept, %d", __func__, errno);
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
int iret = 0;
if((iret = fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0)
{
printf("%s: fcntl nonblocking failed:%d", __func__, iret);
break;
} // add a read event for receive data
EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]);
EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, &g_Events[i]);
}while(0);
printf("new conn[%s:%d][time:%d], pos[%d]\n", inet_ntoa(sin.sin_addr),ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active, i);
} // 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+ev->len, sizeof(ev->buff)-1-ev->len, 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, ev);
}
else if(len == 0)
{
close(ev->fd);
printf("[fd=%d] pos[%d], closed gracefully.\n", fd, ev-g_Events);
}
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->s_offset, ev->len - ev->s_offset, 0);
if(len > 0)
{
printf("send[fd=%d], [%d<->%d]%s\n", fd, len, ev->len, ev->buff);
ev->s_offset += len;
if(ev->s_offset == ev->len)
{ // change to receive event
EventDel(g_epollFd, ev);
EventSet(ev, fd, RecvData, ev);
EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, ev);
}
}
else
{
close(ev->fd);
EventDel(g_epollFd, ev);
printf("send[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, &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)
{
unsigned 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;
}
