UNIX网络编程——epoll 系列函数简介、与select、poll 的区别

前面博客<<UNIX环境高级编程——epoll函数使用详解>>有关于epoll函数的讲解。

一、epoll 系列函数简介

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
int epoll_create1(int flags);
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);

*  epoll_create(2)  creates  an epoll instance and returns a file descriptor referring to that instance.  (The more recent
          epoll_create1(2) extends the functionality of epoll_create(2).)

*  Interest in particular file descriptors is then registered via epoll_ctl(2).  The set  of  file  descriptors  currently
          registered on an epoll instance is sometimes called an epoll set.

*  epoll_wait(2) waits for I/O events, blocking the calling thread if no events are currently available.

1、epoll_create1 产生一个epoll 实例，返回的是实例的句柄。flag 可以设置为0 或者EPOLL_CLOEXEC，为0时函数表现与epoll_create一致，EPOLL_CLOEXEC标志与open 时的O_CLOEXEC 标志类似，即进程被替换时会关闭文件描述符。

2、epoll_ctl ：

（1）epfd：epoll 实例句柄；

（2）op：对文件描述符fd 的操作，主要有EPOLL_CTL_ADD、 EPOLL_CTL_DEL等；

（3）fd：需要操作的目标文件描述符；

（4）event：结构体指针

 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 参数主要有EPOLLIN、EPOLLOUT、EPOLLET、EPOLLLT等；一般data 共同体我们设置其成员fd即可，也就是epoll_ctl 函数的第三个参数。

3、epoll_wait：

（1）epfd：epoll 实例句柄；

（2）events：结构体指针

（3）maxevents：事件的最大个数

（4）timeout：超时时间，设为-1表示永不超时

下面我们使用c++ 来实现一个服务器端程序：

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

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

#include <vector>
#include <algorithm>

#include "read_write.h"
#include "sysutil.h"

typedef std::vector<struct epoll_event> EventList;

/* 相比于select与poll，epoll最大的好处是不会随着关心的fd数目的增多而降低效率 */
int main(void)
{
    int count = 0;
    int listenfd;
    if ((listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0)
        ERR_EXIT("socket");

    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(5188);
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    int on = 1;
    if (setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on)) < 0)
        ERR_EXIT("setsockopt");

    if (bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
        ERR_EXIT("bind");
    if (listen(listenfd, SOMAXCONN) < 0)
        ERR_EXIT("listen");

    std::vector<int> clients;
    int epollfd;
    epollfd = epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC); //epoll实例句柄

    struct epoll_event event;
    event.data.fd = listenfd;
    event.events = EPOLLIN | EPOLLET; //边沿触发
    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &event);

    EventList events(16);
    struct sockaddr_in peeraddr;
    socklen_t peerlen;
    int conn;
    int i;

    int nready;
    while (1)
    {
        nready = epoll_wait(epollfd, &*events.begin(), static_cast<int>(events.size()), -1);
        if (nready == -1)
        {
            if (errno == EINTR)
                continue;

            ERR_EXIT("epoll_wait");
        }
        if (nready == 0)
            continue;

        if ((size_t)nready == events.size())
            events.resize(events.size() * 2);

        for (i = 0; i < nready; i++)
        {
            if (events[i].data.fd == listenfd)
            {
                peerlen = sizeof(peeraddr);
                conn = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&peeraddr, &peerlen);
                if (conn == -1)
                    ERR_EXIT("accept");

                printf("ip=%s port=%d\n", inet_ntoa(peeraddr.sin_addr), ntohs(peeraddr.sin_port));
                printf("count = %d\n", ++count);
                clients.push_back(conn);

                activate_nonblock(conn);

                event.data.fd = conn;
                event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
                epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, conn, &event);
            }
            else if (events[i].events & EPOLLIN)
            {
                conn = events[i].data.fd;
                if (conn < 0)
                    continue;

                char recvbuf[1024] = {0};
                int ret = readline(conn, recvbuf, 1024);
                if (ret == -1)
                    ERR_EXIT("readline");
                if (ret == 0)
                {
                    printf("client close\n");
                    close(conn);

                    event = events[i];
                    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, conn, &event);
                    clients.erase(std::remove(clients.begin(), clients.end(), conn), clients.end());
                }

                fputs(recvbuf, stdout);
                writen(conn, recvbuf, strlen(recvbuf));
            }

        }
    }

    return 0;
}

在程序的最开始定义一个新类型EventList，内部装着struct epoll_event 结构体的容器。

接下面的socket,bind,listen 都跟以前说的一样，不述。接着使用epoll_create1 创建一个epoll 实例，再来看下面四行代码：

struct epoll_event event;
event.data.fd = listenfd;
event.events = EPOLLIN | EPOLLET; //边沿触发
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &event);

根据前面的函数分析，这四句意思就是将监听套接字listenfd 加入关心的套接字序列。

在epoll_wait 函数中的第二个参数，其实events.begin() 是个迭代器，但其具体实现也是struct epoll_event* 类型，虽然 &*events.begin() 得到的也是struct epoll_event* ，但不能直接使用events.begin() 做参数，因为类型不匹配，编译会出错。

EventList events(16); 即初始化容器的大小为16，当返回的事件个数nready 已经等于16时，需要增大容器的大小，使用events.resize 函数即可，容器可以动态增大，这也是我们使用c++实现的其中一个原因。

当监听套接字有可读事件，accept 返回的conn也需要使用epoll_ctl 函数将其加入关心的套接字队列。

还需要调用 activate_nonblock(conn); 将conn 设置为非阻塞：

/* activate_nonblock - 设置IO为非阻塞模式
 * fd: 文件描述符
 */
void activate_nonblock(int fd)
{
    int ret;
    int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (flags == -1)
        ERR_EXIT("fcntl error");

    flags |= O_NONBLOCK;
    ret = fcntl(fd, F_SETFL, flags);
    if (ret == -1)
        ERR_EXIT("fcntl error");
}

/* deactivate_nonblock - 设置IO为阻塞模式
 * fd: 文件描述符
 */
void deactivate_nonblock(int fd)
{
    int ret;
    int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (flags == -1)
        ERR_EXIT("fcntl error");

    flags &= ~O_NONBLOCK;
    ret = fcntl(fd, F_SETFL, flags);
    if (ret == -1)
        ERR_EXIT("fcntl error");
}

man 7 epoll 里有这样一句话：

An application that employs the EPOLLET flag should use nonblocking file descriptors to avoid having a  blocking  read  or
 write  starve  a  task  that  is  handling multiple file descriptors.

当下次循环回来某个已连接套接字有可读事件，则读取数据，若read 返回0表示对方关闭，需要使用epoll_ctl 函数将conn 从队列中清除，我们使用 std::vector<int> clients; 来保存每次accept 返回的conn，所以现在也需要将其擦除掉，调用clients.erase() 函数。

我们可以使用前面写的cli.c客户端程序测试一下，先运行服务器程序，再运行客户端，输出如下：

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./echoser_epoll

................................

count = 1015
ip=127.0.0.1 port=60492
count = 1016
ip=127.0.0.1 port=60493
count = 1017
ip=127.0.0.1 port=60494
count = 1018
ip=127.0.0.1 port=60495
count = 1019
accept: Too many open files

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./conntest

.........................................................

count = 1015
ip=127.0.0.1 port=60492
count = 1016
ip=127.0.0.1 port=60493
count = 1017
ip=127.0.0.1 port=60494
count = 1018
ip=127.0.0.1 port=60495
count = 1019
connect: Connection reset by peer

为什么服务器端的count 只有1019呢，因为除去012，一个监听套接字还有一个epoll 实例句柄，所以1024 - 5 = 1019。

为什么客户端的错误提示跟这里的不一样呢？这正说明epoll 处理效率比poll和select 都高，因为处理得快，来一个连接就accept一个，当服务器端accept 完第1019个连接，再次accept 时会因为文件描述符总数超出限制，打印错误提示，而此时客户端虽然已经创建了第1020个sock，但在connect 过程中发现对等方已经退出了，故打印错误提示，连接被对等方重置。如果服务器端处理得慢的话，那么客户端会connect 成功1021个连接，然后在创建第1022个sock 的时候出错，打印错误提示：socket: Too many open files，当然因为文件描述符的限制，服务器端也只能从已完成连接队列中accept 成功1019个连接。

二、epoll与select、poll区别

1、相比于select与poll，epoll最大的好处在于它不会随着监听fd数目的增长而降低效率。内核中的select与poll的实现是采用轮询来处理的，轮询的fd数目越多，自然耗时越多。
2、epoll的实现是基于回调的，如果fd有期望的事件发生就通过回调函数将其加入epoll就绪队列中,也就是说它只关心“活跃”的fd，与fd数目无关。
3、内核 / 用户空间 内存拷贝问题，如何让内核把 fd消息通知给用户空间呢？在这个问题上select/poll采取了内存拷贝方法。而epoll采用了共享内存的方式。
4、epoll不仅会告诉应用程序有I/0 事件到来，还会告诉应用程序相关的信息，这些信息是应用程序填充的，因此根据这些信息应用程序就能直接定位到事件，而不必遍历整个fd集合。

三、epoll 的EPOLLLT （电平触发，默认）和 EPOLLET（边沿触发）模式的区别

1、EPOLLLT：完全靠kernel epoll驱动，应用程序只需要处理从epoll_wait返回的fds，这些fds我们认为它们处于就绪状态。此时epoll可以认为是更快速的poll。

2、EPOLLET：此模式下，系统仅仅通知应用程序哪些fds变成了就绪状态，一旦fd变成就绪状态，epoll将不再关注这个fd的任何状态信息，（从epoll队列移除）直到应用程序通过读写操作（非阻塞）触发EAGAIN状态，epoll认为这个fd又变为空闲状态，那么epoll又重新关注这个fd的状态变化（重新加入epoll队列）。随着epoll_wait的返回，队列中的fds是在减少的，所以在大并发的系统中，EPOLLET更有优势，但是对程序员的要求也更高，因为有可能会出现数据读取不完整的问题，举例如下：

假设现在对方发送了2k的数据，而我们先读取了1k，然后这时调用了epoll_wait，如果是边沿触发，那么这个fd变成就绪状态就会从epoll 队列移除，很可能epoll_wait 会一直阻塞，忽略尚未读取的1k数据，与此同时对方还在等待着我们发送一个回复ack，表示已经接收到数据；如果是电平触发，那么epoll_wait 还会检测到可读事件而返回，我们可以继续读取剩下的1k 数据。