Linux Epoll介绍和程序实例

1. Epoll
是何方神圣？

Epoll
可是当前在
Linux
下开发大规模并发网络程序的热门人选，
Epoll
在
Linux2.6
内核中正式引入，和
select
相似，其实都
I/O

多路复用技术而已

，并没有什么神秘的。

其实在
Linux
下设计并发网络程序，向来不缺少方法，比如典型的
Apache
模型（
Process Per Connection
，简称
PPC
），
TPC
（
Thread Per
Connection
）模型，以及
select
模型和
poll
模型，那为何还要再引入
Epoll
这个东东呢？那还是有得说说的
…

2.
常用模型的缺点

如果不摆出来其他模型的缺点，怎么能对比出
Epoll
的优点呢。

2.1 PPC/TPC
模型

这两种模型思想类似，就是让每一个到来的连接一边自己做事去，别再来烦我
。只是
PPC
是为它开了一个进程，而
TPC
开了一个线程。可是别烦我是有代价的，它要时间和空间啊，连接多了之后，那么多的进程
/
线程切换，这开销就上来了；因此这类模型能接受的最大连接数都不会高，一般在几百个左右。

2.2 select
模型

1.
最大并发数限制，因为一个进程所打开的
FD
（文件描述符）是有限制的，由
FD_SETSIZE
设置，默认值是
1024/2048
，因此
Select
模型的最大并发数就被相应限制了。自己改改这个
FD_SETSIZE
？想法虽好，可是先看看下面吧
…

2.
效率问题，
select
每次调用都会线性扫描全部的
FD
集合，这样效率就会呈现线性下降，把
FD_SETSIZE
改大的后果就是，大家都慢慢来，什么？都超时了？？！！

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
采取了内存拷贝方法。

2.3 poll
模型

基本上效率和
select
是相同的，
select
缺点的
2
和
3
它都没有改掉。

3. Epoll
的提升

把其他模型逐个批判了一下，再来看看
Epoll
的改进之处吧，其实把
select
的缺点反过来那就是
Epoll
的优点了。

3.1. Epoll
没有最大并发连接的限制，上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于
2048,
一般来说这个数目和系统内存关系很大

，具体数目可以
cat /proc/sys/fs/file-max
察看。

3.2.
效率提升，
Epoll
最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接
，而跟连接总数无关，因此在实际的网络环境中，
Epoll
的效率就会远远高于
select
和
poll
。

3.3.
内存拷贝，
Epoll
在这点上使用了“共享内存
”，这个内存拷贝也省略了。

4. Epoll
为什么高效

Epoll
的高效和其数据结构的设计是密不可分的，这个下面就会提到。

首先回忆一下
select
模型，当有
I/O
事件到来时，
select
通知应用程序有事件到了快去处理，而应用程序必须轮询所有的
FD
集合，测试每个
FD
是否有事件发生，并处理事件；代码像下面这样：

int
res = select(maxfd+1, &readfds, NULL, NULL, 120);

if
(res > 0)

{

for
(int
i = 0; i < MAX_CONNECTION; i++)

{

if
(FD_ISSET(allConnection[i],
&readfds))

{

handleEvent(allConnection[i]);

}

}

}

// if(res == 0) handle timeout, res < 0 handle error

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。

int

res = epoll_wait(epfd, events, 20, 120);

for
(int
i = 0; i < res;i++)

{

handleEvent(events
);

}

5. Epoll
关键数据结构

前面提到
Epoll
速度快和其数据结构密不可分，其关键数据结构就是：

struct

epoll_event {

__uint32_t events;
// Epoll events

epoll_data_t data;
// User data
variable

};

typedef
union
epoll_data {

void
*ptr;

int
fd;

__uint32_t u32;

__uint64_t u64;

} epoll_data_t;

可见
epoll_data
是一个
union
结构体
,
借助于它应用程序可以保存很多类型的信息
:fd
、指针等等。有了它，应用程序就可以直接定位目标了。

6.
使用
Epoll

既然
Epoll
相比
select
这么好，那么用起来如何呢？会不会很繁琐啊
…
先看看下面的三个函数吧，就知道
Epoll
的易用了。

int

epoll_create(int
size);

生成一个
Epoll
专用的文件描述符，其实是申请一个内核空间，用来存放你想关注的
socket fd
上是否发生以及发生了什么事件。
size
就是你在这个
Epoll fd
上能关注的最大
socket fd
数，大小自定，只要内存足够。

int

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

控制某个
Epoll
文件描述符上的事件：注册、修改、删除。其中参数
epfd
是
epoll_create()
创建
Epoll
专用的文件描述符。相对于
select
模型中的
FD_SET
和
FD_CLR
宏。

int

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

等待
I/O
事件的发生；参数说明：

epfd:
由
epoll_create()


生成的
Epoll
专用的文件描述符；

epoll_event:
用于回传代处理事件的数组；

maxevents:
每次能处理的事件数；

timeout:
等待
I/O
事件发生的超时值；

返回发生事件数。

相对于
select
模型中的
select
函数。

7.
epoll的两种工作模式LT/ET

EPOLLLT

完全靠kernel
epoll驱动，应用程序只需要处理从epoll_wait返回的fds，应用程序可以根据需要，执行读取/写入操作一次或多次

此模式下，系统默认所有的fds都是空闲的，只有epoll_wait通知的fds是忙碌的，所以应用系统只需要处理这些fds就可以了

EPOLLET

主要靠应用程序处理fds，应用程序从epoll_wait只能得到哪些fds是由空闲变为忙碌状态。此时应用程序需要自己维护一张fds的表格，把从
epoll_wait获得的状态变化信息登记到这张表格。然后应用程序可以选择遍历这张fds的表格，对处于忙碌状态的fds进行操作。

当读取/写入操作遇到EAGAIN的错误，就表示这个fd由忙碌状态变为空闲状态，在下一次epoll_wait调用之前如果有数据进来或者这个fd的写缓冲区又空闲了，那么epoll_wait会再次通知应用程序，这个fd从空闲状态变为忙碌状态。

此模式下，系统仅仅通知应用程序哪些fds变成了忙碌状态，一旦fd变成忙碌状态，epoll将不再关注这个fd的任何状态信息，直到应用程序通过读写操作触发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。

因此EPOLLET比EPOLLLT对应用程序的要求更多，需要程序员设计的部分也更多，看上去EPOLLLT要简单的多。但是如果这里我们要求对fd有
超时控制，EPOLLLT需要有额外的fds遍历操作，而EPOLLET本来就需要不断遍历fds，如此看来使用EPOLLET是更好的选
择，EPOLLLT才是设计不够完善的小玩具。

而且由于epoll_wait每次返回的fds的数量有限，在大并发的模式下，EPOLLLT将非常的繁忙，所有的fds都要在它的队列中产生状态消息，而每次只有其中一部分fds被返回给应用程序。

相对于EPOLLET，只要epoll_wait返回一次fds之后，这些fds就从epoll队列中消除，只有应用程序遇到EAGAIN之后fd才会重
新添加到epoll队列，如此看来随着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。

8.
例子程序

下面是一个简单
Echo Server
的例子程序，麻雀虽小，五脏俱全，还包含了一个简单的超时检查机制，简洁起见没有做错误处理。

1. //
2. // a simple echo server using epoll in linux
3. //
4. // 2009-11-05
5. // by sparkling
6. //
7. #include <sys/socket.h>
8. #include <sys/epoll.h>
9. #include <netinet/in.h>
10. #include <arpa/inet.h>
11. #include <fcntl.h>
12. #include <unistd.h>
13. #include <stdio.h>
14. #include <errno.h>
15. #include <iostream>
16. using namespace std;
17. #define MAX_EVENTS 500
18. struct myevent_s
19. {
20.     int fd;
21.     void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);
22.     int events;
23.     void *arg;
24.     int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in
25.     char buff[128]; // recv data buffer
26.     int len;
27.     long last_active; // last active time
28. };
29. // set event
30. void EventSet(myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void*), void *arg)
31. {
32.     ev->fd = fd;
33.     ev->call_back = call_back;
34.     ev->events = 0;
35.     ev->arg = arg;
36.     ev->status = 0;
37.     ev->last_active = time(NULL);
38. }
39. // add/mod an event to epoll
40. void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev)
41. {
42.     struct epoll_event epv = {0, {0}};
43.     int op;
44.     epv.data.ptr = ev;
45.     epv.events = ev->events = events;
46.     if(ev->status == 1){
47.         op = EPOLL_CTL_MOD;
48.     }
49.     else{
50.         op = EPOLL_CTL_ADD;
51.         ev->status = 1;
52.     }
53.     if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0)
54.         printf("Event Add failed[fd=%d]/n", ev->fd);
55.     else
56.         printf("Event Add OK[fd=%d]/n", ev->fd);
57. }
58. // delete an event from epoll
59. void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev)
60. {
61.     struct epoll_event epv = {0, {0}};
62.     if(ev->status != 1) return;
63.     epv.data.ptr = ev;
64.     ev->status = 0;
65.     epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);
66. }
67. int g_epollFd;
68. myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd
69. void RecvData(int fd, int events, void *arg);
70. void SendData(int fd, int events, void *arg);
71. // accept new connections from clients
72. void AcceptConn(int fd, int events, void *arg)
73. {
74.     struct sockaddr_in sin;
75.     socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);
76.     int nfd, i;
77.     // accept
78.     if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1)
79.     {
80.         if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)
81.         {
82.             printf("%s: bad accept", __func__);
83.         }
84.         return;
85.     }
86.     do
87.     {
88.         for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)
89.         {
90.             if(g_Events[i].status == 0)
91.             {
92.                 break;
93.             }
94.         }
95.         if(i == MAX_EVENTS)
96.         {
97.             printf("%s:max connection limit[%d].", __func__, MAX_EVENTS);
98.             break;
99.         }
100.         // set nonblocking
101.         if(fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK) < 0) break;
102.         // add a read event for receive data
103.         EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]);
104.         EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, &g_Events[i]);
105.         printf("new conn[%s:%d][time:%d]/n", inet_ntoa(sin.sin_addr), ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active);
106.     }while(0);
107. }
108. // receive data
109. void RecvData(int fd, int events, void *arg)
110. {
111.     struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;
112.     int len;
113.     // receive data
114.     len = recv(fd, ev->buff, sizeof(ev->buff)-1, 0);
115.     EventDel(g_epollFd, ev);
116.     if(len > 0)
117.     {
118.         ev->len = len;
119.         ev->buff[len] = '/0';
120.         printf("C[%d]:%s/n", fd, ev->buff);
121.         // change to send event
122.         EventSet(ev, fd, SendData, ev);
123.         EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT|EPOLLET, ev);
124.     }
125.     else if(len == 0)
126.     {
127.         close(ev->fd);
128.         printf("[fd=%d] closed gracefully./n", fd);
129.     }
130.     else
131.     {
132.         close(ev->fd);
133.         printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s/n", fd, errno, strerror(errno));
134.     }
135. }
136. // send data
137. void SendData(int fd, int events, void *arg)
138. {
139.     struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;
140.     int len;
141.     // send data
142.     len = send(fd, ev->buff, ev->len, 0);
143.     ev->len = 0;
144.     EventDel(g_epollFd, ev);
145.     if(len > 0)
146.     {
147.         // change to receive event
148.         EventSet(ev, fd, RecvData, ev);
149.         EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, ev);
150.     }
151.     else
152.     {
153.         close(ev->fd);
154.         printf("recv[fd=%d] error[%d]/n", fd, errno);
155.     }
156. }
157. void InitListenSocket(int epollFd, short port)
158. {
159.     int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
160.     fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking
161.     printf("server listen fd=%d/n", listenFd);
162.     EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVENTS]);
163.     // add listen socket
164.     EventAdd(epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, &g_Events[MAX_EVENTS]);
165.     // bind & listen
166.     sockaddr_in sin;
167.     bzero(&sin, sizeof(sin));
168.     sin.sin_family = AF_INET;
169.     sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
170.     sin.sin_port = htons(port);
171.     bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin));
172.     listen(listenFd, 5);
173. }
174. int main(int argc, char **argv)
175. {
176.     short port = 12345; // default port
177.     if(argc == 2){
178.         port = atoi(argv[1]);
179.     }
180.     // create epoll
181.     g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS);
182.     if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d/n", g_epollFd);
183.     // create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking
184.     InitListenSocket(g_epollFd, port);
185.     // event loop
186.     struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
187.     printf("server running:port[%d]/n", port);
188.     int checkPos = 0;
189.     while(1){
190.         // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event
191.         long now = time(NULL);
192.         for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd
193.         {
194.             if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle
195.             if(g_Events[checkPos].status != 1) continue;
196.             long duration = now - g_Events[checkPos].last_active;
197.             if(duration >= 60) // 60s timeout
198.             {
199.                 close(g_Events[checkPos].fd);
200.                 printf("[fd=%d] timeout[%d--%d]./n", g_Events[checkPos].fd, g_Events[checkPos].last_active, now);
201.                 EventDel(g_epollFd, &g_Events[checkPos]);
202.             }
203.         }
204.         // wait for events to happen
205.         int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000);
206.         if(fds < 0){
207.             printf("epoll_wait error, exit/n");
208.             break;
209.         }
210.         for(int i = 0; i < fds; i++){
211.             myevent_s *ev = (struct myevent_s*)events[i].data.ptr;
212.             if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN)) // read event
213.             {
214.                 ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
215.             }
216.             if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT)) // write event
217.             {
218.                 ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
219.             }
220.         }
221.     }
222.     // free resource
223.     return 0;
224. }

转载自：

1、http://blog.csdn.net/sparkliang/archive/2009/11/05/4770655.aspx

2、http://blog.sina.com.cn/s/blog_544465b00100bkrj.html