IO多路复用epoll

0 why: 问题来源

0.1 网络编程流程

//创建socket
int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
//绑定IP地址和端口号port
bind(s, ...)
//监听客户端连接
listen(s, ...)
//接受客户端连接
int c = accept(s, ...)
//接收客户端数据
recv(c, ...);
//处理数据
operation(...)

0.2 内核接收网络数据过程

创建socket时，操作系统会创建一个由文件系统管理的socket对象。这个socket对象包含了发送缓冲区、接收缓冲区、等待队列等成员。等待队列指向所有需要等待该socket事件的进程。



新的文件描述符fd都会插入等待队列中，等到有数据到来时，等待序列会唤醒一个进程来处理数据。

0.3 问题来源

如何同时监视多个socket的数据？

1 解决方案之select模式

预先传入一个socket列表，如果列表中的socket都没有数据，挂起进程，直到有一个socket收到数据，唤醒进程。

int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bind(s, ...)
listen(s, ...)

int fds[] =  ;//存放需要监听的socket

while(1){
    int n = select(..., fds, ...)
    for(int i=0; i < fds.count; i++){
        if(FD_ISSET(fds[i], ...)){
            //fds[i]的数据处理
        }
    }
}

这里需要注意的问题是：select查看是否有数据输入，需要进行遍历所有的socket;而在进程唤醒后，进程一脸懵逼，只知道有数据来了，却不知道是谁的数据，因此需要再次进行一次遍历，找到数据来自于哪个socket。这种多次遍历，每次都要将整个fds列表传递给内核，开销很大，因此我们需要改进一下。

2 what: 解决方案之epoll模式

epoll模式相比于select模式，最大的改进在于增加了一个中间环节“就绪列表”，还有就是分离了“socket插入到等待列表”和“阻塞等待事件到来”这两个过程。

2.1 功能分离

每次调用select都需要这两步操作，然而大多数应用场景中，需要监视的socket相对固定，并不需要每次都修改。epoll将这两个操作分开，先用epoll_ctl维护等待队列，再调用epoll_wait阻塞进程。

注意：epoll_wait方法不是使用循环的方式看是否有就绪时间，而是epoll_wait()一直阻塞直到：fd产生事件 / 被信号处理函数打断 / 超时。

int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bind(s, ...)
listen(s, ...)

int epfd = epoll_create(...);
epoll_ctl(epfd, ...); //将所有需要监听的socket添加到epfd中

while(1){
    int n = epoll_wait(...)
    for(接收到数据的socket){
        //处理
    }
}

2.2 增加中间环节“就绪列表”

select低效的另一个原因在于程序不知道哪些socket收到数据，只能一个个遍历。如果内核维护一个“就绪列表”，引用已就绪数据的socket，就能避免遍历。

3 how: 如何用?

3.1 创建epoll

int epoll_create(int size);

在最初的epoll_create（）实现中，size参数将调用者希望添加到的文件描述符的数量告知内核。epoll实例。内核使用该信息作为内部数据结构初始分配空间的提示，事件。 （如果有必要，如果调用方的使用超出了大小提示，内核将分配更多空间。）如今，此提示不再必需（内核无需提示即可动态调整所需数据结构的大小），但是大小必须仍大于零，以便当新的epoll应用程序在较旧的内核上运行时，请确保向后兼容。

3.2 操作事件

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

向 epfd 对应的内核epoll 实例添加、修改或删除对 fd 上事件 event 的监听。op 可以为 EPOLL_CTL_ADD, EPOLL_CTL_MOD, EPOLL_CTL_DEL 分别对应的是添加新的事件，修改文件描述符上监听的事件类型，从实例上删除一个事件。

3.3 监听事件

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

当 timeout 为 0 时，epoll_wait 永远会立即返回。而 timeout 为 -1 时，epoll_wait 会一直阻塞直到任一已注册的事件变为就绪。当 timeout 为一正整数时，epoll 会阻塞直到计时 timeout 毫秒终了或已注册的事件变为就绪。因为内核调度延迟，阻塞的时间可能会略微超过 timeout 毫秒。

4 参考

https://www.cnblogs.com/Hijack-you/p/13057792.html

https://www.agedcat.com/programming_language/cpp/525.html

https://blog.csdn.net/zhoumuyu_yu/article/details/112472419