Linux2.6内核中epoll用法详解

epoll是linux2.6内核中才有的机制，其他版本内核中是没有的，是Linux2.6内核引入的多路复用IO的一种方式，用于提高网络IO性能的方法。在linux网络编程中，很长一段时间都是采用select来实现多事件触发处理的。Select存在如下几个方面的问题：

（1）每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大

（2）同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大

（3）select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024

Select采用轮询的方式来处理事件触发，当随着监听socket的文件描述符fd的数量增加时，轮询的时间也就越长，造成效率低下。而且linux/posix_types.h中有#define __FD_SETSIZE 1024(也有说2048的)的定义，也就是说linux select能监听的最大fd数目是1024个，虽然能通过内核修改此参数或也可以选择多进程的解决方案( Apache就是这样实现的)，但这是治标不治本。

epoll既然是对select和poll的改进，就应该能避免上述的三个缺点。那epoll都是怎么解决的呢？在此之前，我们先看一下epoll和select和poll的调用接口上的不同:
 select和poll都只提供了一个函数——select或者poll函数。而epoll提供了三个函数，epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait，epoll_create是创建一个epoll句柄；epoll_ctl是注册要监听的事件类型；epoll_wait则是等待事件的产生。

　　对于第一个缺点，epoll的解决方案在epoll_ctl函数中。每次注册新的事件到epoll句柄中时（在epoll_ctl中指定EPOLL_CTL_ADD），会把所有的fd拷贝进内核，而不是在epoll_wait的时候重复拷贝。epoll保证了每个fd在整个过程中只会拷贝一次。

　　对于第二个缺点，epoll的解决方案不像select或poll一样每次都把current轮流加入fd对应的设备等待队列中，而只在epoll_ctl时把current挂一遍（这一遍必不可少）并为每个fd指定一个回调函数，当设备就绪，唤醒等待队列上的等待者时，就会调用这个回调函数，而这个回调函数会把就绪的fd加入一个就绪链表）。epoll_wait的工作实际上就是在这个就绪链表中查看有没有就绪的fd（利用schedule_timeout()实现睡一会，判断一会的效果，和select实现中的第7步是类似的）。

　　对于第三个缺点，epoll没有这个限制，它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2048,举个例子,在1GB内存的机器上大约是10万左右，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般来说这个数目和系统内存关系很大。

总结：

（1）select，poll实现需要自己不断轮询所有fd集合，直到设备就绪，期间可能要睡眠和唤醒多次交替。而epoll其实也需要调用epoll_wait不断轮询就绪链表，期间也可能多次睡眠和唤醒交替，但是它是设备就绪时，调用回调函数，把就绪fd放入就绪链表中，并唤醒在epoll_wait中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒着”的时候要遍历整个fd集合，而epoll在“醒着”的时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了，这节省了大量的CPU时间。这就是回调机制带来的性能提升。

（2）select，poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次，并且要把current往设备等待队列中挂一次，而epoll只要一次拷贝，而且把current往等待队列上挂也只挂一次（在epoll_wait的开始，注意这里的等待队列并不是设备等待队列，只是一个epoll内部定义的等待队列）。这也能节省不少的开销。

    epoll的出现可以有效的解决select效率低下的问题，epoll把参数拷贝到内核态，在每次轮询时不会重复拷贝。epoll有ET和LT两种工作模式，ET是高速模式只能以非阻塞方式进行，LT相当于快速的select，可以才有阻塞和非阻塞两种方式，epoll通过把操作拆分为epoll_create,epoll_ctl,epoll_wait三个步骤避免重复地遍历要监视的文件描述符。

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/select，在poll能用的地方epoll都可以用，因为他们具有同样的职能。即使使用ET模式的epoll，在收到多个数据包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处理文件句柄就成为调用者必须作的事情。

      以上是man手册对epoll中两种模式的简要介绍，这里有必要对两种模式进行详细的介绍：

LT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，内核会告诉调用者一个文件描述符是否就绪了，然后调用者可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知调用者的，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。LT模式跟select有一样的语义。就是如果可读就触发。比如某管道原来为空，如果有一个进程写入2k数据，就会触发。如果处理进程读取1k数据，下次轮询时继续触发。该模式下，默认不可读，只有epoll通知可读才是可读，否则不可读。

ET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告诉调用者，然后它会假设调用者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，直到调用者做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了。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。该模式与select有不同的语义，只有当从不可读变为可读时才触发。上面那种情况，还有1k可读，所以不会触发，当继续读，直到返回EAGAIN时，变为不可读，如果再次变为可读就触发。默认可读，调用者可以随便读，直到发生EAGAIN。可读时读和不读，怎么读都由调用者自己决定，中间epoll不管。EAGAIN后不可读了，等到再次可读，epoll会再通知一次。理解ET模式最重要的就是理解状态的变化，对于监听可读事件时,如果是socket是监听socket，那么当有新的主动连接到来为状态发生变化；对一般的socket而言，协议栈中相应的缓冲区有新的数据为状态发生变化。但是，如果在一个时间同时接收了N个连接(N>1)，但是监听socket只accept了一个连接，那么其它未 accept的连接将不会在ET模式下给监听socket发出通知，此时状态不发生变化；对于一般的socket，如果对应的缓冲区本身已经有了N字节的数据，而只取出了小于N字节的数据，那么残存的数据不会造成状态发生变化。

epoll的LT和ET的区别

LT：水平触发，效率会低于ET触发，尤其在大并发，大流量的情况下。但是LT对代码编写要求比较低，不容易出现问题。LT模式服务编写上的表现是：只要有数据没有被获取，内核就不断通知你，因此不用担心事件丢失的情况。
ET：边缘触发，效率非常高，在并发，大流量的情况下，会比LT少很多epoll的系统调用，因此效率高。但是对编程要求高，需要细致的处理每个请求，否则容易发生丢失事件的情况。
下面举一个列子来说明LT和ET的区别（都是非阻塞模式，阻塞就不说了，效率太低）：
采用LT模式下， 如果accept调用有返回就可以马上建立当前这个连接了，再epoll_wait等待下次通知，和select一样。
但是对于ET而言，如果accpet调用有返回，除了建立当前这个连接外，不能马上就epoll_wait还需要继续循环accpet，直到返回-1，且errno==EAGAIN，TAF里面的示例代码：

if(ev.events & EPOLLIN)
{
    do
    {
        struct sockaddr_in stSockAddr;
        socklen_t iSockAddrSize = sizeof(sockaddr_in);
        TC_Socket cs;
        cs.setOwner(false);
        //接收连接
        TC_Socket s;
        s.init(fd, false, AF_INET);
        int iRetCode = s.accept(cs, (struct sockaddr *) &stSockAddr, iSockAddrSize);
        if (iRetCode > 0)
        {
            ...建立连接
        }
        else
        {
            //直到发生EAGAIN才不继续accept
            if(errno == EAGAIN)
            {
                break;
            }
        }
    }while(true);
}

ET模式仅当状态发生变化的时候才获得通知,这里所谓的状态的变化并不包括缓冲区中还有未处理的数据,也就是说,如果要采用ET模式, 需要一直read/write直到出错为止,很多人反映为什么采用ET模式只接收了一部分数据就再也得不到通知了,大多因为这样;而LT模式是只要有数据 没有处理就会一直通知下去的.

同样，recv/send等函数， 都需要到errno==EAGAIN

从本质上讲：与LT相比，ET模型是通过减少系统调用来达到提高并行效率的。

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：

typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
__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。

下面给出一个完整的服务器端例子：

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

using namespace std;

#define MAXLINE 5
#define OPEN_MAX 100
#define LISTENQ 20
#define SERV_PORT 5000
#define INFTIM 1000

void setnonblocking(int sock)
{
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;
}

//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
struct epoll_event ev,events[20];
//生成用于处理accept的epoll专用的文件描述符
epfd=epoll_create(256);
struct sockaddr_in clientaddr;
struct sockaddr_in serveraddr;
listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
//把socket设 置为非阻塞方式
//setnonblocking(listenfd);
//设置与要处理的事件相关的文件描述符
ev.data.fd=listenfd;
//设置要处理的事件类型
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
//ev.events=EPOLLIN;

//注册epoll事件
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);
bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr));
serveraddr.sin_family = AF_INET;
char *local_addr="127.0.0.1";
inet_aton(local_addr,&(serveraddr.sin_addr));//htons(portnumber);

serveraddr.sin_port=htons(portnumber);
bind(listenfd,(sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr));
listen(listenfd, LISTENQ);
maxi = 0;
for ( ; ; ) {
//等待epoll事件的发生
nfds=epoll_wait(epfd,events,20,500);
//处理所发生的所有事件
for(i=0;i
{
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);
}
//setnonblocking(connfd);
char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr);
cout << "accapt a connection from " << str << endl;
//设置用于读操作的文件描述符
ev.data.fd=connfd;
//设置用于注测的读操作事件
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
//ev.events=EPOLLIN;
//注册ev
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&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"<
} else if (n == 0) {
close(sockfd);
events[i].data.fd = -1;
}
line[n] = '\0';
cout << "read " << line << endl;
//设置用于写操作的文件描述符
ev.data.fd=sockfd;
//设置用于注测的写操作事件
ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET;
//修改sockfd上要处理的事件为EPOLLOUT
//epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);
}
else if(events[i].events&EPOLLOUT) // 如果有数据发送
{
sockfd = events[i].data.fd;
write(sockfd, line, n);
//设置用于读操作的文件描述符
ev.data.fd=sockfd;
//设置用于注测的读操作事件
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
//修改sockfd上要处理的事件为EPOLIN
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);
}
}
}
return 0;
}