IO多路复用之epoll总结

1、基本知识

　　epoll是在2.6内核中提出的，是之前的select和poll的增强版本。相对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。

2、epoll接口

　　epoll操作过程需要三个接口，分别如下：

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

（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：

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。

3、工作模式

　　epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT（level trigger）和ET（edge trigger）。LT模式是默认模式，LT模式与ET模式的区别如下：

　　LT模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时，会再次响应应用程序并通知此事件。

　　ET模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次响应应用程序并通知此事件。

　　ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。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。

4、测试程序

　　编写一个服务器回射程序echo，练习epoll过程。

服务器代码如下所示：

 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <string.h>
 #include <errno.h>

 #include <netinet/in.h>
 #include <sys/socket.h>
 #include <arpa/inet.h>
 #include <sys/epoll.h>
 #include <unistd.h>
 #include <sys/types.h>

 #define IPADDRESS   "127.0.0.1"
 #define PORT        8787
 #define MAXSIZE     1024
 #define LISTENQ     5
 #define FDSIZE      1000
 #define EPOLLEVENTS 100

 //函数声明
 //创建套接字并进行绑定
 static int socket_bind(const char* ip,int port);
 //IO多路复用epoll
 static void do_epoll(int listenfd);
 //事件处理函数
 static void
 handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int listenfd,char *buf);
 //处理接收到的连接
 static void handle_accpet(int epollfd,int listenfd);
 //读处理
 static void do_read(int epollfd,int fd,char *buf);
 //写处理
 static void do_write(int epollfd,int fd,char *buf);
 //添加事件
 static void add_event(int epollfd,int fd,int state);
 //修改事件
 static void modify_event(int epollfd,int fd,int state);
 //删除事件
 static void delete_event(int epollfd,int fd,int state);

 int main(int argc,char *argv[])
 {
     int  listenfd;
     listenfd = socket_bind(IPADDRESS,PORT);
     listen(listenfd,LISTENQ);
     do_epoll(listenfd);
     return ;
 }

 static int socket_bind(const char* ip,int port)
 {
     int  listenfd;
     struct sockaddr_in servaddr;
     listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,);
     if (listenfd == -)
     {
         perror("socket error:");
         exit();
     }
     bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
     servaddr.sin_family = AF_INET;
     inet_pton(AF_INET,ip,&servaddr.sin_addr);
     servaddr.sin_port = htons(port);
     if (bind(listenfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr)) == -)
     {
         perror("bind error: ");
         exit();
     }
     return listenfd;
 }

 static void do_epoll(int listenfd)
 {
     int epollfd;
     struct epoll_event events[EPOLLEVENTS];
     int ret;
     char buf[MAXSIZE];
     memset(buf,,MAXSIZE);
     //创建一个描述符
     epollfd = epoll_create(FDSIZE);
     //添加监听描述符事件
     add_event(epollfd,listenfd,EPOLLIN);
     for ( ; ; )
     {
         //获取已经准备好的描述符事件
         ret = epoll_wait(epollfd,events,EPOLLEVENTS,-);
         handle_events(epollfd,events,ret,listenfd,buf);
     }
     close(epollfd);
 }

 static void
 handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int listenfd,char *buf)
 {
     int i;
     int fd;
     //进行选好遍历
     for (i = ;i < num;i++)
     {
         fd = events[i].data.fd;
         //根据描述符的类型和事件类型进行处理
         if ((fd == listenfd) &&(events[i].events & EPOLLIN))
             handle_accpet(epollfd,listenfd);
         else if (events[i].events & EPOLLIN)
             do_read(epollfd,fd,buf);
         else if (events[i].events & EPOLLOUT)
             do_write(epollfd,fd,buf);
     }
 }
 static void handle_accpet(int epollfd,int listenfd)
 {
     int clifd;
     struct sockaddr_in cliaddr;
     socklen_t  cliaddrlen;
     clifd = accept(listenfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&cliaddrlen);
     if (clifd == -)
         perror("accpet error:");
     else
     {
         printf("accept a new client: %s:%d\n",inet_ntoa(cliaddr.sin_addr),cliaddr.sin_port);
         //添加一个客户描述符和事件
         add_event(epollfd,clifd,EPOLLIN);
     }
 }

 static void do_read(int epollfd,int fd,char *buf)
 {
     int nread;
     nread = read(fd,buf,MAXSIZE);
     if (nread == -)
     {
         perror("read error:");
         close(fd);
         delete_event(epollfd,fd,EPOLLIN);
     }
     else if (nread == )
     {
         fprintf(stderr,"client close.\n");
         close(fd);
         delete_event(epollfd,fd,EPOLLIN);
     }
     else
     {
         printf("read message is : %s",buf);
         //修改描述符对应的事件，由读改为写
         modify_event(epollfd,fd,EPOLLOUT);
     }
 }

 static void do_write(int epollfd,int fd,char *buf)
 {
     int nwrite;
     nwrite = write(fd,buf,strlen(buf));
     if (nwrite == -)
     {
         perror("write error:");
         close(fd);
         delete_event(epollfd,fd,EPOLLOUT);
     }
     else
         modify_event(epollfd,fd,EPOLLIN);
     memset(buf,,MAXSIZE);
 }

 static void add_event(int epollfd,int fd,int state)
 {
     struct epoll_event ev;
     ev.events = state;
     ev.data.fd = fd;
     epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev);
 }

 static void delete_event(int epollfd,int fd,int state)
 {
     struct epoll_event ev;
     ev.events = state;
     ev.data.fd = fd;
     epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,&ev);
 }

 static void modify_event(int epollfd,int fd,int state)
 {
     struct epoll_event ev;
     ev.events = state;
     ev.data.fd = fd;
     epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&ev);
 }

客户端也用epoll实现，控制STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO、和sockfd三个描述符，程序如下所示：

 #include <netinet/in.h>
 #include <sys/socket.h>
 #include <stdio.h>
 #include <string.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <sys/epoll.h>
 #include <time.h>
 #include <unistd.h>
 #include <sys/types.h>
 #include <arpa/inet.h>

 #define MAXSIZE     1024
 #define IPADDRESS   "127.0.0.1"
 #define SERV_PORT   8787
 #define FDSIZE        1024
 #define EPOLLEVENTS 20

 static void handle_connection(int sockfd);
 static void
 handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int sockfd,char *buf);
 static void do_read(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf);
 static void do_read(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf);
 static void do_write(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf);
 static void add_event(int epollfd,int fd,int state);
 static void delete_event(int epollfd,int fd,int state);
 static void modify_event(int epollfd,int fd,int state);

 int main(int argc,char *argv[])
 {
     int                 sockfd;
     struct sockaddr_in  servaddr;
     sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,);
     bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
     servaddr.sin_family = AF_INET;
     servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
     inet_pton(AF_INET,IPADDRESS,&servaddr.sin_addr);
     connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));
     //处理连接
     handle_connection(sockfd);
     close(sockfd);
     return ;
 }

 static void handle_connection(int sockfd)
 {
     int epollfd;
     struct epoll_event events[EPOLLEVENTS];
     char buf[MAXSIZE];
     int ret;
     epollfd = epoll_create(FDSIZE);
     add_event(epollfd,STDIN_FILENO,EPOLLIN);
     for ( ; ; )
     {
         ret = epoll_wait(epollfd,events,EPOLLEVENTS,-);
         handle_events(epollfd,events,ret,sockfd,buf);
     }
     close(epollfd);
 }

 static void
 handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int sockfd,char *buf)
 {
     int fd;
     int i;
     for (i = ;i < num;i++)
     {
         fd = events[i].data.fd;
         if (events[i].events & EPOLLIN)
             do_read(epollfd,fd,sockfd,buf);
         else if (events[i].events & EPOLLOUT)
             do_write(epollfd,fd,sockfd,buf);
     }
 }

 static void do_read(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf)
 {
     int nread;
     nread = read(fd,buf,MAXSIZE);
         if (nread == -)
     {
         perror("read error:");
         close(fd);
     }
     else if (nread == )
     {
         fprintf(stderr,"server close.\n");
         close(fd);
     }
     else
     {
         if (fd == STDIN_FILENO)
             add_event(epollfd,sockfd,EPOLLOUT);
         else
         {
             delete_event(epollfd,sockfd,EPOLLIN);
             add_event(epollfd,STDOUT_FILENO,EPOLLOUT);
         }
     }
 }

 static void do_write(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf)
 {
     int nwrite;
     nwrite = write(fd,buf,strlen(buf));
     if (nwrite == -)
     {
         perror("write error:");
         close(fd);
     }
     else
     {
         if (fd == STDOUT_FILENO)
             delete_event(epollfd,fd,EPOLLOUT);
         else
             modify_event(epollfd,fd,EPOLLIN);
     }
     memset(buf,,MAXSIZE);
 }

 static void add_event(int epollfd,int fd,int state)
 {
     struct epoll_event ev;
     ev.events = state;
     ev.data.fd = fd;
     epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev);
 }

 static void delete_event(int epollfd,int fd,int state)
 {
     struct epoll_event ev;
     ev.events = state;
     ev.data.fd = fd;
     epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,&ev);
 }

 static void modify_event(int epollfd,int fd,int state)
 {
     struct epoll_event ev;
     ev.events = state;
     ev.data.fd = fd;
     epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&ev);
 }

5、测试结果

参考资料：

http://www.cnblogs.com/OnlyXP/archive/2007/08/10/851222.html

http://www.cnblogs.com/lexus/archive/2011/11/19/2254798.html

https://banu.com/blog/2/how-to-use-epoll-a-complete-example-in-c/