IO多路复用 - epoll

epoll与poll的区别

每次调用poll，都需要把fd集合从用户态拷贝进内核态，开销大；epoll只需要一次拷贝。

poll在内核通过遍历得到就绪文件描述符，epoll通过注册回调函数+就绪链表的形式得到就绪文件描述符，不需要遍历。

epoll 函数

1.  int  epoll_create(int  size); /*创建一个epoll的句柄*/

2.  int  epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, structepoll_event *event);
/*
epoll的事件注册函数，它不同于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：
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);
/*
收集在epoll监控的事件中已经发送的事件。参数events是分配好的epoll_event结构体数组，epoll将会把发生的事件赋值到events数组中（events不可以是空指针，内核只负责把数据复制到这个events数组中，不会去帮助我们在用户态中分配内存）。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）。如果函数调用成功，返回对应I/O上已准备好的文件描述符数目，如返回0表示已超时。
*/

4.工作模式
①LT模式：Level Triggered水平触发
这个是缺省的工作模式。同时支持block socket和non-block socket。内核会告诉程序员一个文件描述符是否就绪了。如果程序员不作任何操作，内核仍会通知。
②ET模式：Edge Triggered 边缘触发
是一种高速模式。仅当状态发生变化的时候才获得通知。这种模式假定程序员在收到一次通知后能够完整地处理事件，于是内核不再通知这一事件。注意：缓冲区中还有未处理的数据不算状态变化，所以ET模式下程序员只读取了一部分数据就再也得不到通知了，正确的用法是程序员自己确认读完了所有的字节（一直调用read/write直到出错EAGAIN为止）。

示范例程

int main()
{
/*存储就绪文件描述符的数量*/
int nfds;

...
//声明epoll_event结构体的变量,ev用于注册事件,数组用于回传要处理的事件
struct epoll_event ev, events[20];
//生成用于处理accept的epoll专用的文件描述符
epfd = epoll_create(256);

...
//设置与要处理的事件相关的文件描述符
ev.data.fd = listenfd;
//设置要处理的事件类型
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
//注册epoll事件
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev);

...
for ( ; ; )
{
//等待epoll事件的发生
nfds = epoll_wait(epfd, events, 20, 500);
//处理所发生的所有事件
for(i = 0; i < nfds; ++i)
{
if(events[i].data.fd == listenfd)
{
...
}
else if(events[i].events & EPOLLIN)
{
...;
}
else if(events[i].events & EPOLLOUT)
{
...
}

}

}
}

源码思路

当epoll_wait时，它会判断就绪链表中有没有就绪的fd，如果没有，则把current进程加入一个等待队列(file->private_data->wq)中，并在一个while（1）循环中判断就绪队列是否为空，并结合schedule_timeout实现睡一会，判断一会的效果。如果current进程在睡眠中，设备就绪了，就会调用回调函数。在回调函数中，会把就绪的fd放入就绪链表，并唤醒等待队列(file->private_data->wq)中的current进程，这样epoll_wait又能继续执行下去了。

/*
* This is the callback that is used to add our wait queue to the
* target file wakeup lists.
*/
static void ep_ptable_queue_proc(struct file *file, wait_queue_head_t *whead,
poll_table *pt)
{
struct epitem *epi = ep_item_from_epqueue(pt);
struct eppoll_entry *pwq;

if (epi->nwait >= 0 && (pwq = kmem_cache_alloc(pwq_cache, GFP_KERNEL))) {
init_waitqueue_func_entry(&pwq->wait, ep_poll_callback);
pwq->whead = whead;
pwq->base = epi;
add_wait_queue(whead, &pwq->wait);
list_add_tail(&pwq->llink, &epi->pwqlist);
epi->nwait++;
} else {
/* We have to signal that an error occurred */
epi->nwait = -1;
}
}

static inline void init_waitqueue_func_entry(wait_queue_t *q,
wait_queue_func_t func)
{
q->flags = 0;
q->private = NULL;
q->func = func;
}

总结

select，poll实现需要自己不断轮询所有fd集合，直到设备就绪，期间可能要睡眠和唤醒多次交替。而epoll其实也需要调用epoll_wait不断轮询就绪链表，期间也可能多次睡眠和唤醒交替，但是它是设备就绪时，调用回调函数，把就绪fd放入就绪链表中，并唤醒在epoll_wait中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒着”的时候要遍历整个fd集合，而epoll在“醒着”的时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了，这节省了大量的CPU时间。这就是回调机制带来的性能提升。

select，poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次，并且要把current往设备等待队列中挂一次，而epoll只要一次拷贝，而且把current往等待队列上挂也只挂一次（在epoll_wait的开始，注意这里的等待队列并不是设备等待队列，只是一个epoll内部定义的等待队列）。这也能节省不少的开销。