I/O多路复用——epoll函数

1 select的低效率

　　select/poll函数效率比较低，主要有以下两个原因：

　　（1）调用select函数后需要对所有文件描述符进行循环查找

　　（2）每次调用select函数时都需要向该函数传递监视对象信息

　　在这两个原因中，第二个原因是主要原因：每次调用select函数时，应用程序都要将所有文件描述符传递给操作系统，这给程序带来很大的负担。在高并发的环境下，无论怎样优化应用程序的代码，都无法完成应用的服务。　　

　　所以，select与poll并不适合以Web服务器端开发为主流的现代开发环境，只在要求满足以下两个条件是适用：

　　（1）服务器端接入者少

　　（2）程序要求兼容性

2 Linux的epoll机制

　　由上一节，我们需要一种类似于select的机制来完成高并发的服务器。需要有以下两个特点（epoll和select的区别）：

　　（1）应用程序仅向操作系统传递1次监视对象

　　（2）监视范围或内容发生变化是，操作系统只通知发生变化的事项给应用程序

　　幸运的是，的确存在这样的机制。Linux的支持方式是epoll，Windows的支持方式是IOCP。

3 epoll函数原型　　

　　epoll操作由三个函数组成：　　

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
　　　　　　　　　　　　//成功时返回epoll文件描述符，失败时返回-1
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
　　　　　　　　　　　　//成功时返回0，失败时返回-1
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
　　　　　　　　　　　　//成功时返回发生事件的文件描述数，失败时返回-1

　　（1）epoll_create：创建保存epoll文件描述符的空间。

　　调用epoll_create函数时创建的文件描述符保存空间称为“epoll例程”。但要注意：size参数只是应用程序向操作系统提的建议，操作系统并不一定会生成一个大小为size的epoll例程。

　　（2）epoll_ctl：向空间注册并注销文件描述符。

　　参数epfd指定注册监视对象的epoll例程的文件描述符，op指定监视对象的添加、删除或更改等操作，有以下两种常量：

　　　　1）EPOLL_CTL_ADD：将文件描述符注册到epoll例程

　　　　2）EPOLL_CTL_DEL：从epoll例程中删除文件描述符

　　　　3）EPOLL_CTL_MOD：更改注册的文件描述符的关注事件发生情况

　　fd指定需要注册的监视对象文件描述符，event指定监视对象的事件类型。epoll_event结构体如下：　　

struct epoll_event
{
      __uint32_t events;
      epoll_data_t data;
}
typedef union epoll_data
{
      void *ptr;
      int fd;
      __uint32_t u32;
      __uint64_t u64;
}epoll_data_t;

　　epoll_event的成员events中可以保存的常量及所指的事件类型有以下：

　　　　1）EPOLLIN：需要读取数据的情况

　　　　2) EPOLLOUT：输出缓冲为空，可以立即发送数据的情况　　

　　　　3) EPOLLPRI：收到OOBO数据的情况

　　　　4) EPOLLRDHUP：断开连接或半关闭的情况，这在边缘触发方式下非常有用

　　　　5) EPOLLERR：发生错误的情况

　　　　6) EPOLLET：以边缘触发的方式得到事件通知

　　　　7) EPOLLONESHOT：发生一次事件后，相应文件描述符不再收到事件通知。因此需要向epoll_ctl函数的第二个参数EPOLL_CTL_MOD,再次设置事件。

　　（3）epoll_wait：与select函数类似，等待文件描述符发生变化。操作系统返回epoll_event类型的结构体通知监视对象的变化。timeout函数是为毫秒为单位的等待时间，传递-1时，一直等待直到事件发生。声明足够大的epoll_event结构体数组后，传递给epoll_wait函数时，发生变化的文件符信息将被填入该数组。因此，不需要像select函数那样针对所有文件符进行循环。

4 基于epoll的echo服务器代码：

#define BUF_SIZE 1024
#define EPOLL_SIZE 50
void error_handling(char *buf);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int listenfd, connfd;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    socklen_t socklen;
    char buf[BUF_SIZE];

    int epfd, event_cnt;
    struct epoll_event *ep_events;
    struct epoll_event event;

    if (argc != )
    {
        printf("Usage: echo <port>\n");
        exit();
    }

    listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, );
    memset(&serv_addr, , sizeof(serv_addr);
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[]));

    if (bind(listenfd, (struct sockaddr*) &serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -)
        error_handling("bind() error\n");
    if (listen(serv_addr, ) == -)
        error_handling("listen() error\n");

    epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE);
    ep_events = malloc(sizeof(epoll_event)*EPOLL_SIZE);

    event.event = EPOLLIN;
    event.data.fd = listenfd;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &event);

    for (;;)
    {
        event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -);
        if (event_cnt == -)
            error_handling("epoll_wait() error\n");
        for (int i = ; i < event_cnt; ++i)
        {
            if (ep_events[i].data.fd == listenfd)
            {
                connfd = accept(listenfd, NULL, NULL);
                event.events = EPOLLIN;
                event.data.fd = connfd;
                epoll_ctl(pefd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &event);
                printf("connect another client\n");
            }
            else
            {
                int nread = read(ep_events[i].dada.fd, buf, BUF_SIZE);
                if (nread == )
                {
                    close(ep_events.data.fd);
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events.data.fd, NULL);
                    printf("disconnect with a client\n");
                }
                else
                {
                    write(ep_events[i].data.fd, buf, nread);
                }
            }
        }
    }
    close(listenfd);
    close(epfd);
    return ;
}

void error_handling(char* buf)
{
    printf("%s\n", buf);
    exit();
}

5 条件触发与边缘触发

　　条件触发：只要引起epoll_wait返回的事件还存在，再次调用epoll_wait时，该事件还会被注册

　　边缘触发：每个事件在刚发生的时候被注册一次，之后就不会被注册，除非又有新的事件发生。

　　比如，一个已连接的socket套接字收到了数据，而读取缓冲区小于接收到的数据，这时，两种触发方式有以下区别：（1）条件触发：一次读取之后，套接字缓冲区里还有数据，再调用epoll_wait，该套接字的EPOLL_IN事件还是会被注册；（2）边缘触发：一次读取之后，套接字缓冲区里还有数据，再调用epoll_wait，该套接字的EPOLL_IN事件不会被注册，除非在这期间，该套接字收到了新的数据。

　　epoll默认采用条件触发，上一节的代码采用的就是条件触发。

　　还是不太清楚？用代码来砸！边缘触发实现echo服务器：　　

//设置较小的读取缓冲区，以测试边缘触发特性
#define BUF_SIZE 4
#define EPOLL_SIZE 50
void error_handling(char *buf);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int listenfd, connfd;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    socklen_t socklen;
    char buf[BUF_SIZE];

    int epfd, event_cnt;
    struct epoll_event *ep_events;
    struct epoll_event event;

    if (argc != )
    {
        printf("Usage: echo <port>\n");
        exit();
    }

    listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, );
    memset(&serv_addr, , sizeof(serv_addr);
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[]));

    if (bind(listenfd, (struct sockaddr*) &serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -)
        error_handling("bind() error\n");
    if (listen(serv_addr, ) == -)
        error_handling("listen() error\n");

    epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE);
    ep_events = malloc(sizeof(epoll_event)*EPOLL_SIZE);

    event.event = EPOLLIN;
    event.data.fd = listenfd;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &event);

    for (;;)
    {
        event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -);
        if (event_cnt == -)
            error_handling("epoll_wait() error\n");
        printf("event_cnt() return\n");            //指示一次返回
        for (int i = ; i < event_cnt; ++i)
        {
            if (ep_events[i].data.fd == listenfd)
            {
                connfd = accept(listenfd, NULL, NULL);
                //设置为非阻塞I/O
                int flag = fcntl(fd, F_GETFL, );
                fcntl(fd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);

                event.events = EPOLLIN|EPOLLET;       //边缘触发
                event.data.fd = connfd;
                epoll_ctl(pefd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &event);
                printf("connect another client\n");
            }
            else
            {
                //读完每个已连接socket的缓冲区里的数据
                while ()
                {
                    int nread = read(ep_events[i].dada.fd, buf, BUF_SIZE);
                    if (nread == )
                    {
                        close(ep_events.data.fd);
                        epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events.data.fd, NULL);
                        printf("disconnect with a client\n");
                    }
                    else if (nread < )
                    {
                        //errno为EAGAIN，则缓冲区内已没有数据
                        if (errno == EAGAIN)
                            break;
                    }
                    else
                    {
                        write(ep_events[i].data.fd, buf, nread);
                    }
                }

            }
        }
    }
    close(listenfd);
    close(epfd);
    return ;
}

void error_handling(char* buf)
{
    printf("%s\n", buf);
    exit();
}

　　几个说明：

　　（1）在使用epoll_ctl注册事件的时候，选择边缘触发，|EPOLLET

　　（2）处理已发生的边缘触发的事件时，要处理完所有的数据再返回。例中，使用了循环的方式读取了套接字中的所有数据

　　（3）读/写套接字的时候采用非阻塞式I/O。为何？边缘触发方式下，以阻塞方式工作的read&write函数有可能引起服务器端的长时间停顿。

　　那么边缘触发好不好？有什么优点呢？书上说，边缘触发可以分离接收数据和处理数据的时间点。也就是说，在事件发生的时候，我们只记录事件已经发生，而不去处理数据，等到以后的某段时间才去处理数据，即分离接收数据和处理数据的时间点。好奇的我一定会问：条件触发没办法分离接收数据和处理数据的时间点吗？答案是可以的。但存在问题：在数据被处理之前，每次调用epoll_wait都会产生相应的事件，在一个具有大量这样的事件的繁忙服务器上，这是不现实的。

　　可是。还没有说边缘触发和条件触发哪个更好呀？马克思说，要辩证地看问题。so，边缘触发更有可能带来高性能，但不能简单地认为“只要使用边缘触发就一定能提高速度”，要具体问题具体分析。好吧，马克思的这一个“具体问题具体分析”适用于回答绝大部分比较类问题，已和“多喝水”，“重启一下试试看”，“不行就分”并列成为最简单粗暴的4个通用回答。