Linux epoll机制初识

文章仅仅用于个人的学习记录，基本上内容都是网上各个大神的杰作，此处摘录过来以自己的理解学习方式记录一下。

参考文献：

     http://www.zhihu.com/question/32163005

     http://www.zhihu.com/question/28594409

     http://blog.csdn.net/zhang_shuai_2011/article/details/7675797

     http://blog.csdn.net/xiajun07061225/article/details/9250579

     
1、前言。
      a、IO相关认识。
         I/O操作比如最常见的read和write，通常来说I/O操作是阻塞I/O的，也就是说当你调用read时，如果没有收到数据，那么线程或者进程就会被挂起直到收到数据（再往下执行）.这样当服务器处理很多链接的时候，对内存的消耗（线程太多）太大和CPU的时间占用（线程之间切换）很多。后来就引入了非阻塞I/O概念。Linux通过调用系统的函数ioctl把其设置为非阻塞模式即可。这时当你调用read时，如果有数据收到就返回，如果没有数据收到，就立刻返回一个错误。这样就不会阻塞线程了，但是还是需要不断的轮训来读取或者写入。此时就引来了I/O多路复用概念。调用如：select、poll等函数，传入多个文件描述符，如果有描述符就绪则返回（去做自己的处理），否则阻塞直到超时。这样在处理很多连接的时候，只需要一个线程监控就绪状态，然后对相应状态的每个连接再单独开线程处理即可。这样大大减少内存开销。
      b、IO多路复用概念。
         传统的并发处理模型：没有一个新的I/O流我就新建一个进程管理去处理它，随时跟踪它的状态。这样就会导致，资源浪费、管理混乱等等问题。
      epoll机制是一种I/O多路复用技术。I/O多路复用。其实这个复用是指的复用某个线程的意思。
      整体的意思：单个线程通过记录跟踪每个I/O流的状态，来管理多个I/O流.一般来说这些机制都是监控的多个描述符fd的状态（如时候准备读、写等）。

   当它处于某种状态时候去顺序的做相应的处理。（配合Socket的时候需要是非阻塞的，只有当系统通知谁有有效数据才取处理）
      好处：提高服务器的吞吐能力，一个进程就可以管理多个任务要求等等。
      select、poll、epoll都是这种模型。（按照这个顺序依次出现改进的）
      个人认为网上比较形象的例子：
        一个酒吧服务员（一个线程），前面趴了一群醉汉，突然一个吼一声“倒酒”（事件），你小跑过去给他倒一杯，然后随他去吧，突然又一个要倒酒，你又过去倒上，就这样一个服务员服务好多人，有时没人喝酒，服务员处于空闲状态，可以干点别的玩玩手机。至于epoll与select，poll的区别在于后两者的场景中醉汉不说话，你要挨个问要不要酒，没时间玩手机了。io多路复用大概就是指这几个醉汉共用一个服务员。这样来看epoll除了可以复用服务员，还能有效避免很多无用的操作。

2、select、poll、epoll优缺点。
     epoll可以说是select和poll的增强版。暂未查找学习select、poll的具体用法和实现，此处先做个概念上的理解记录。
     select的缺点：
        a、每次调用select都需要把用户空间的fd集合拷贝到内核空间。这样当fd很多事内存开销较大。
        b、每次调用select时当有任何一个I/O流出现了数据，都需要在内核中遍历传进来所有的fd。也会导致开销很大。
        c、select支持的文件描述符只有默认的1024.
        d、select不是线程安全的，无法回收已经加入但后来不需要的socket.
     由于当时硬件比较弱，select已经很长一段时间能满足需求了。后来就该进程了poll。
     poll优缺点:
        a、poll改进了select的最多1024个连接的限制。可以自己设定。
        b、改进来fd描述的方式。
        c、但是仍然线程不安全，且有时间发生时需要循环全部的fd。
     然后就出来了epoll，修复了绝大部分上面的两种实现的问题。最主要的如：
        a、epoll现在不仅告诉我们监控的I/O流里面有数据，还会告诉我们具体实那个I/O流，不需要重复的循环去找了。
           大概是每个fd注册一个回调，fd就绪时调用这个回调函数，把fd假如导游一个就绪列表中。epoll_wait其实是在查询这个链表。
        b、解决了查询时重复赋值fd到内核这个问题，每次注册新事件到epoll句柄时，会把所有的fd拷贝到内核，这样保证只拷贝一次。大概是采用了mmap方式。
        c、epoll现在是线程安全的。
     但是epoll好像只有linux支持。
     总的来说：
         select、poll实现需要不断地轮训所有的fd，直到设备就绪。期间可能要睡眠唤醒多次。而epoll也需要调用epoll_wait不断轮询就绪链表，期间也可能多次睡眠和唤醒，但是它是当设备就绪时，调用回调函数把就绪的fd放入就绪列表中，并唤醒在epoll_wait中进入睡眠的进程。相比如另外两种这个只需要遍历就绪列表。 select、poll每次都要调用把fd集合从用户态往内核态拷贝一次，并且把current往设备等待队列挂一次。而epoll只需要拷贝一次、挂载一次。

3、epoll的基本使用。
    3.1、int epoll_create(int size)
         创建一个epoll的句柄，自从Linux2.6.8以后size是忽略的。 当创建好epoll句柄之后，它就会占用一个fd值。所以在使用完epoll之后，调用close关闭，否则可能导致fd不够用。          
     
    3.2、int epoll_ctl(int epfd,int op,int fd,struct epoll_event *event)
         epoll的事件注册函数，要先注册需要监听的事件。
         epfd： epoll_create()的返回值。
         op：表示动作，有三个宏
             EPOLL_CTL_ADD ：注册新的fd到epfd当中。
             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。
         fd ：需要监听的I/O流的fd。

         event：告诉内核需要监听的事件。
              

//保存触发事件的某个文件描述符相关的数据（与具体使用方式有关）

typedef union epoll_data {

void *ptr;

int fd;

__uint32_t u32;

__uint64_t u64;

} epoll_data_t;

 //感兴趣的事件和被触发的事件

struct epoll_event {

__uint32_t events; /* Epoll events */

epoll_data_t data; /* User data variable */

};

                对于epoll_event结构体的 events变量有以下几个宏
                   EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可读。
                   EPOLLOUT ：表示对应的文件描述符可写。
                   EPOLLPRI
：表示对应的文件描述符有紧急数据可读。
                   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。
                   EPOLLLET
：将EPOLL设为边缘触发模式Edge Triggered,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fd的话，需要再次把它
                              加入到EPOLL队列里面。

     3.3、int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event* events,int maxevents,int timeout)
          收集在epoll监控的时间中已经发生的事件。
          epfd：创建的epoll的fd。
          events： 分配好的epoll_event结构体数组，epoll将会把发生的时间赋值到events数组中。
          maxevents: 告诉内核这个events有多大，这个大小不能超过epoll_create()时传入的size。
          timeout: 超时设置单位ms.可设置如下三种
               0： 会立即返回。
               -1：将会阻塞。
               timeout ： 阻塞timeout个时长，如果在这期间发生则返回，如果超过时间则返回。
          如果函数调用成功就返回对应I/O上已经准备好的文件描述符的数目。返回0表示已超时。
     3.4、epoll的两种工作方式。
           LT level triggered 水平触发模式，
              同时支持阻塞和非阻塞的socket。在这种模式中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪            的fd进行I/O操作，如果你不做任何操作，讷河还是会继续通知你。（没处理这个流还是一直通知你）
           ET edge triggered 边缘触发模式
              只支持非阻塞的socket。效率比LT高。这种工作模式下，当从epoll_wait调用获取到事件后，如果没有把这次事件            对应的套接字处理完，那么在这个套接字中没有心的时间再次到来时，ET模式下是无法再次从epoll_wait调用中获取这
           个事件的。而LT只要有数据就总可以获取。
           文章开头处连接里面的大神的图，个人觉得很清晰明了：