epoll 使用详解 | 易学教程

epoll简介

epoll 是Linux内核中的一种可扩展IO事件处理机制，最早在 Linux 2.5.44内核中引入，可被用于代替POSIX select 和 poll 系统调用，并且在具有大量应用程序请求时能够获得较好的性能（此时被监视的文件描述符数目非常大，与旧的 select 和 poll 系统调用完成操作所需 O(n) 不同， epoll能在O(1)时间内完成操作，所以性能相当高），epoll 与 FreeBSD的kqueue类似，都向用户空间提供了自己的文件描述符来进行操作。

int epoll_create(int size);

创建一个epoll的句柄，size用来告诉内核需要监听的数目一共有多大。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。

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

epoll的事件注册函数，第一个参数是 epoll_create() 的返回值，第二个参数表示动作，使用如下三个宏来表示：

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。

当对方关闭连接(FIN), EPOLLERR，都可以认为是一种EPOLLIN事件，在read的时候分别有0，-1两个返回值。

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

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。

EPOLL事件有两种模型 Level Triggered (LT) 和 Edge Triggered (ET)：

LT(level triggered，水平触发模式)是缺省的工作方式，并且同时支持 block 和 non-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。

ET(edge-triggered，边缘触发模式)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，等到下次有新的数据进来的时候才会再次出发就绪事件。

epoll 例子

我们将实现一个简单的TCP 服务器，该迷你服务器将会在标准输出上打印处客户端发送的数据，首先我们创建并绑定一个 TCP 套接字：

static intcreate_and_bind (char *port){  struct addrinfo hints;  struct addrinfo *result, *rp;  int s, sfd;  memset (&hints, 0, sizeof (struct addrinfo));  hints.ai_family = AF_UNSPEC;     /* Return IPv4 and IPv6 choices */  hints.ai_socktype = SOCK_STREAM; /* We want a TCP socket */  hints.ai_flags = AI_PASSIVE;     /* All interfaces */  s = getaddrinfo (NULL, port, &hints, &result);  if (s != 0)    {      fprintf (stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror (s));      return -1;    }  for (rp = result; rp != NULL; rp = rp->ai_next)    {      sfd = socket (rp->ai_family, rp->ai_socktype, rp->ai_protocol);      if (sfd == -1)        continue;      s = bind (sfd, rp->ai_addr, rp->ai_addrlen);      if (s == 0)        {          /* We managed to bind successfully! */          break;        }      close (sfd);    }  if (rp == NULL)    {      fprintf (stderr, "Could not bind\n");      return -1;    }  freeaddrinfo (result);  return sfd;}

create_and_bind() 包含了如何创建 IPv4 和 IPv6 套接字的代码块，它接受一字符串作为端口参数，并在 result 中返回一个 addrinfo 结构，

struct addrinfo{  int              ai_flags;  int              ai_family;  int              ai_socktype;  int              ai_protocol;  size_t           ai_addrlen;  struct sockaddr *ai_addr;  char            *ai_canonname;  struct addrinfo *ai_next;};

如果函数成功则返回套接字，如果失败，则返回 -1，

下面，我们将一个套接字设置为非阻塞形式，函数如下：

static intmake_socket_non_blocking (int sfd){  int flags, s;  flags = fcntl (sfd, F_GETFL, 0);  if (flags == -1)    {      perror ("fcntl");      return -1;    }  flags |= O_NONBLOCK;  s = fcntl (sfd, F_SETFL, flags);  if (s == -1)    {      perror ("fcntl");      return -1;    }  return 0;}

接下来，便是主函数代码，主要用于事件循环：

#define MAXEVENTS 64intmain (int argc, char *argv[]){  int sfd, s;  int efd;  struct epoll_event event;  struct epoll_event *events;  if (argc != 2)    {      fprintf (stderr, "Usage: %s [port]\n", argv[0]);      exit (EXIT_FAILURE);    }  sfd = create_and_bind (argv[1]);  if (sfd == -1)    abort ();  s = make_socket_non_blocking (sfd);  if (s == -1)    abort ();  s = listen (sfd, SOMAXCONN);  if (s == -1)    {      perror ("listen");      abort ();    }  efd = epoll_create1 (0);  if (efd == -1)    {      perror ("epoll_create");      abort ();    }  event.data.fd = sfd;  event.events = EPOLLIN | EPOLLET;  s = epoll_ctl (efd, EPOLL_CTL_ADD, sfd, &event);  if (s == -1)    {      perror ("epoll_ctl");      abort ();    }  /* Buffer where events are returned */  events = calloc (MAXEVENTS, sizeof event);  /* The event loop */  while (1)    {      int n, i;      n = epoll_wait (efd, events, MAXEVENTS, -1);      for (i = 0; i < n; i++)    {      if ((events[i].events & EPOLLERR) ||              (events[i].events & EPOLLHUP) ||              (!(events[i].events & EPOLLIN)))        {              /* An error has occured on this fd, or the socket is not                 ready for reading (why were we notified then?) */          fprintf (stderr, "epoll error\n");          close (events[i].data.fd);          continue;        }      else if (sfd == events[i].data.fd)        {              /* We have a notification on the listening socket, which                 means one or more incoming connections. */              while (1)                {                  struct sockaddr in_addr;                  socklen_t in_len;                  int infd;                  char hbuf[NI_MAXHOST], sbuf[NI_MAXSERV];                  in_len = sizeof in_addr;                  infd = accept (sfd, &in_addr, &in_len);                  if (infd == -1)                    {                      if ((errno == EAGAIN) ||                          (errno == EWOULDBLOCK))                        {                          /* We have processed all incoming                             connections. */                          break;                        }                      else                        {                          perror ("accept");                          break;                        }                    }                  s = getnameinfo (&in_addr, in_len,                                   hbuf, sizeof hbuf,                                   sbuf, sizeof sbuf,                                   NI_NUMERICHOST | NI_NUMERICSERV);                  if (s == 0)                    {                      printf("Accepted connection on descriptor %d "                             "(host=%s, port=%s)\n", infd, hbuf, sbuf);                    }                  /* Make the incoming socket non-blocking and add it to the                     list of fds to monitor. */                  s = make_socket_non_blocking (infd);                  if (s == -1)                    abort ();                  event.data.fd = infd;                  event.events = EPOLLIN | EPOLLET;                  s = epoll_ctl (efd, EPOLL_CTL_ADD, infd, &event);                  if (s == -1)                    {                      perror ("epoll_ctl");                      abort ();                    }                }              continue;            }          else            {              /* We have data on the fd waiting to be read. Read and                 display it. We must read whatever data is available                 completely, as we are running in edge-triggered mode                 and won't get a notification again for the same                 data. */              int done = 0;              while (1)                {                  ssize_t count;                  char buf[512];                  count = read (events[i].data.fd, buf, sizeof buf);                  if (count == -1)                    {                      /* If errno == EAGAIN, that means we have read all                         data. So go back to the main loop. */                      if (errno != EAGAIN)                        {                          perror ("read");                          done = 1;                        }                      break;                    }                  else if (count == 0)                    {                      /* End of file. The remote has closed the                         connection. */                      done = 1;                      break;                    }                  /* Write the buffer to standard output */                  s = write (1, buf, count);                  if (s == -1)                    {                      perror ("write");                      abort ();                    }                }              if (done)                {                  printf ("Closed connection on descriptor %d\n",                          events[i].data.fd);                  /* Closing the descriptor will make epoll remove it                     from the set of descriptors which are monitored. */                  close (events[i].data.fd);                }            }        }    }  free (events);  close (sfd);  return EXIT_SUCCESS;}

main() 首先调用 create_and_bind() 建立套接字，然后将其设置为非阻塞的，再调用 listen(2)。之后创建一个epoll 实例 efd（文件描述符），并将其加入到sfd的监听套接字中以边沿触发方式等待事件输入。

外层的 while 循环是主事件循环，它调用了 epoll_wait(2)，此时线程仍然被阻塞等待事件，当事件可用时，epoll_wait(2) 将会在events参数中返回可用事件。

epoll 实例 efd 在每次事件到来并需要添加新的监听时就会得到更新，并删除死亡的链接。

当事件可用时，可能有一下三种类型：

Errors: 当错误情况出现时，或者不是与读取数据相关的事件通告，我们只是关闭相关的描述符，关闭该描述符会自动的将其从被epoll 实例 efd 监听的的集合中删除。
New connections: 当监听的文件描述符 sfd 可读时，此时会有一个或多个新的连接到来，当新连接到来时，accept(2) 该连接，并打印一条信息，将其设置为非阻塞的并把它加入到被 epoll 实例监听的集合中。
Client data: 当数据在客户端描述符可用时，我们使用 read(2) 在一个内部循环中每次读取512 字节数据。由于我们必须读取所有的可用数据，此时我们并不能获取更多的事件，因为描述符是以边沿触发监听的，读取的数据被写到 stdout (fd=1) (write(2))。如果 read(2) 返回 0，意味着到了文件末尾EOF，我们可以关闭客户端连接，如果返回 -1， errno 会被设置成 EAGAIN, 这意味着所有的数据已经被读取，可以返回主循环了。

（全文完）