epoll

2021-03-26 14:06:21

epoll的接口非常简单，一共三个函数： typedef union epoll_data{ void *ptr; int fd; __uint32_t u32; _uint64_t u64; }epoll_data_t; struct epoll_event{ __uint32 events; //epoll events epoll_data_t data;...

epoll的接口非常简单，一共三个函数：
typedef union epoll_data{
void *ptr;
int fd;
__uint32_t u32;
_uint64_t u64;
}epoll_data_t;

struct epoll_event{
	__uint32 events; //epoll events
	epoll_data_t data; //user data variable
}

int epoll_create(int size);

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);

EPOLLIN  表示对应的文件描述符可以读
EPOLLOUT  表示对应的文件描述符可以写
EPOLLPRI 
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 

Epoll的好处

相比于select，epoll 最大的好处在于他不随监听fd数目的增长而降低效率。select在内核的实现中，他是采用轮询的方式来处理的。轮询的数目越多，自然耗时就越多。

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EPOLL

2015-04-27 16:24:08

1.简介 Linux I/O多路复用技术在比较多的TCP网络服务器中有使用，即比较多的用到select函数。Linux 2.6内核中有提高网络I/O性能的新方法，即epoll 。... epoll_create(2)，epoll_ctl(2)，epoll_wait


1.简介
   Linux I/O多路复用技术在比较多的TCP网络服务器中有使用，即比较多的用到select函数。Linux 2.6内核中有提高网络I/O性能的新方法，即epoll 。 epoll是什么？按照man手册的说法是为处理大批量句柄而作了改进的poll。要使用epoll只需要以下的三个系统函数调用：
  epoll_create(2)，epoll_ctl(2)，epoll_wait(2)。


2.select模型的缺陷
   (1) 在Linux内核中，select所用到的FD_SET是有限的
   内核中有个参数__FD_SETSIZE定义了每个FD_SET的句柄个数：#define __FD_SETSIZE 1024。也就是说，如果想要同时检测1025个句柄的可读状态是不可能用select实现的；或者同时检测1025个句柄的可写状态也是不可能的。
   (2) 内核中实现select是使用轮询方法
   每次检测都会遍历所有FD_SET中的句柄，显然select函数的执行时间与FD_SET中句柄的个数有一个比例关系，即select要检测的句柄数越多就会越费时


3.Windows IOCP模型的缺陷
    windows完成端口实现的AIO，实际上也只是使用内部用线程池实现的，最后的结果是IO有个线程池，你的应用程序也需要一个线程池。很多文档其实已经指出了这引发的线程context-switch所带来的代价。


4.EPOLL模型的优点
   (1) 支持一个进程打开大数目的socket描述符(FD)
   epoll没有select模型中的限制，它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于select 所支持的2048
   (2) IO效率不随FD数目增加而线性下降
   传统select/poll的另一个致命弱点就是当你拥有一个很大的socket集合，由于网络得延时，使得任一时间只有部分的socket是"活跃"的，而select/poll每次调用都会线性扫描全部的集合，导致效率呈现线性下降。但是epoll不存在这个问题，它只会对"活跃"的socket进行操作：这是因为在内核实现中epoll是根据每个fd上面的callback函数实现的。于是，只有"活跃"的socket才会主动去调用callback函数，其他idle状态的socket则不会。在这点上，epoll实现了一个"伪"AIO"，因为这时候推动力在os内核。在一些
 benchmark中，如果所有的socket基本上都是活跃的，比如一个高速LAN环境，epoll也不比select/poll低多少效率，但若过多使用的调用epoll_ctl，效率稍微有些下降。然而一旦使用idle connections模拟WAN环境，那么epoll的效率就远在select/poll之上了。
   (3) 使用mmap加速内核与用户空间的消息传递
   无论是select,poll还是epoll都需要内核把FD消息通知给用户空间，如何避免不必要的内存拷贝就显得很重要。在这点上，epoll是通过内核于用户空间mmap同一块内存实现。


5.EPOLL模型的工作模式
   (1) LT模式
   LT：level triggered，这是缺省的工作方式，同时支持block和no-block 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IO操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的，所以，这种模式编程出错误可能性要小一点。传统的select/poll都是这种模型的代表。
   (2) ET模式


   LT：edge-triggered，这是高速工作方式，只支持no-block socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核就通过epoll告诉你，然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到你做了某些操作而导致那个文件描述符不再是就绪状态(比如你在发送，接收或是接受请求，或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK
 错误)。但是请注意，如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪)，内核就不会发送更多的通知(only once)。不过在TCP协议中，ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark确认。


6.EPOLL模型的使用方法
   epoll用到的所有函数都是在头文件sys/epoll.h中声明的，下面简要说明所用到的数据结构和函数：
   (1) epoll_data、epoll_data_t、epoll_event
   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 */
   };
 
   结构体epoll_event 被用于注册所感兴趣的事件和回传所发生待处理的事件。epoll_event 结构体的events字段是表示感兴趣的事件和被触发的事件，可能的取值为：
   EPOLLIN：      表示对应的文件描述符可以读；
   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；
   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：      表示对应的文件描述符有事件发生；
 
   联合体epoll_data用来保存触发事件的某个文件描述符相关的数据。例如一个client连接到服务器，服务器通过调用accept函数可以得到于这个client对应的socket文件描述符，可以把这文件描述符赋给epoll_data的fd字段，以便后面的读写操作在这个文件描述符上进行。
 
   (2)epoll_create
   函数声明：intepoll_create(intsize)
   函数说明：该函数生成一个epoll专用的文件描述符，其中的参数是指定生成描述符的最大范围。
 
   (3) epoll_ctl函数
   函数声明：intepoll_ctl(int
 epfd,int op, int fd, struct epoll_event *event)
   函数说明：该函数用于控制某个文件描述符上的事件，可以注册事件、修改事件、删除事件。
      epfd：由 epoll_create 生成的epoll专用的文件描述符；
      op：要进行的操作，可能的取值EPOLL_CTL_ADD 注册、EPOLL_CTL_MOD 修改、EPOLL_CTL_DEL      删除；
      fd：关联的文件描述符；
      event：指向epoll_event的指针；
   如果调用成功则返回0，不成功则返回-1。
 
   (4) epoll_wait函数
   函数声明：int epoll_wait(int epfd, structepoll_event * events, int
 maxevents, int timeout)
   函数说明：该函数用于轮询I/O事件的发生。
   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。
 
   设计思路：
   首先通过create_epoll(int maxfds)来创建一个epoll的句柄，其中maxfds为你的epoll所支持的最大句柄数。这个函数会返回一个新的epoll句柄，之后的所有操作都将通过这个句柄来进行操作。在用完之后，记得用close()来关闭这个创建出来的epoll句柄。
   然后在你的网络主循环里面，调用epoll_wait(int epfd, epoll_event events, int max_events,int timeout)来查询所有的网络接口，看哪一个可以读，哪一个可以写。基本的语法为：
   nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1); 
   其中kdpfd为用epoll_create创建之后的句柄，events是一个epoll_event*的指针，当epoll_wait函数操作成功之后，events里面将储存所有的读写事件。max_events是当前需要监听的所有socket句柄数。最后一个timeout参数指示
 epoll_wait的超时条件，为0时表示马上返回；为-1时表示函数会一直等下去直到有事件返回；为任意正整数时表示等这么长的时间，如果一直没有事件，则会返回。一般情况下如果网络主循环是单线程的话，可以用-1来等待，这样可以保证一些效率，如果是和主循环在同一个线程的话，则可以用0来保证主循环的效率。epoll_wait返回之后，应该进入一个循环，以便遍历所有的事件。
对epoll 的操作就这么简单，总共不过4个API：epoll_create, epoll_ctl,epoll_wait和close。以下是man中的一个例子。

struct epoll_event ev, *events;
for(;;) 
{
   nfds = epoll_wait(kdpfd,
 events, maxevents, -1);    //等待IO事件
   for(n = 0; n < nfds; ++n)
   {
   //如果是主socket的事件，则表示有新连接进入，需要进行新连接的处理。
      if(events[n].data.fd
 == listener)
      {
         client = accept(listener, (struct sockaddr *) &local,  &addrlen);
if(client < 0)
         {
            perror("accept error");
            continue;
         }
         // 将新连接置于非阻塞模式
         setnonblocking(client);
         ev.events
 = EPOLLIN | EPOLLET; 
         //注意这里的参数EPOLLIN | EPOLLET并没有设置对写socket的监听，
         //如果有写操作的话，这个时候epoll是不会返回事件的，
         //如果要对写操作也监听的话，应该是EPOLLIN | EPOLLOUT | EPOLLET。
         // 并且将新连接也加入EPOLL的监听队列
         ev.data.fd = client;
         // 设置好event之后，将这个新的event通过epoll_ctl
         if (epoll_ctl(kdpfd,
 EPOLL_CTL_ADD, client, &ev) < 0)
         {
            //加入到epoll的监听队列里，这里用EPOLL_CTL_ADD
            //来加一个新的 epoll事件。可以通过EPOLL_CTL_DEL来减少
            //一个epoll事件，通过EPOLL_CTL_MOD来改变一个事件的监听方式。
            fprintf(stderr, "epoll set insertion error: fd=%d"0, client);
            return -1;
         }
      }
      else
      // 如果不是主socket的事件的话，则代表这是一个用户的socket的事件，
      // 则用来处理这个用户的socket的事情是，比如说read(fd,xxx)之类，或者一些其他的处理。
         do_use_fd(events[n].data.fd);
   }
}



7.EPOLL模型的一个实例

#include <iostream>
#include <sys/socket.h> 
#include <sys/epoll.h>
#include <netinet/in.h> 
#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h> 
#include <unistd.h> 
#include <stdio.h>
 
#define MAXLINE 10 
#define OPEN_MAX 100
#define LISTENQ 20
#define SERV_PORT 5555 
#define INFTIM 1000
 
void setnonblocking(int sock)
{
   int opts;
   opts = fcntl(sock, F_GETFL);
   if(opts < 0)
   {
      perror("fcntl(sock, GETFL)");
      exit(1);
   }
   opts = opts | O_NONBLOCK;
   if(fcntl(sock, F_SETFL, opts) < 0)
   {
      perror("fcntl(sock,SETFL,opts)");
      exit(1);
   }
}


int main()
{
   int i, maxi, listenfd, connfd, sockfd, epfd, nfds; 
   ssize_t n; 
   char line[MAXLINE];
   socklen_t clilen;
   //声明epoll_event结构体的变量, ev用于注册事件, events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, 指定生成描述符的最大范围为256 
   epfd = epoll_create(256);
   struct sockaddr_in clientaddr; 
   struct sockaddr_in serveraddr;
   listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
 
   setnonblocking(listenfd);       //把用于监听的socket设置为非阻塞方式
   ev.data.fd = listenfd;          //设置与要处理的事件相关的文件描述符
   ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;  //设置要处理的事件类型
   epoll_ctl(epfd,
 EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev);     //注册epoll事件
   bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr)); 
   serveraddr.sin_family = AF_INET;
   char *local_addr = "200.200.200.204";
   inet_aton(local_addr, &(serveraddr.sin_addr));
   serveraddr.sin_port = htons(SERV_PORT);  //或者htons(SERV_PORT);
   bind(listenfd,(sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr));
   listen(listenfd, LISTENQ);


   maxi = 0;
   for( ; ; )
   { 
      nfds = epoll_wait(epfd, events, 20, 500); //等待epoll事件的发生
      for(i = 0; i < nfds; ++i)                 //处理所发生的所有事件
      {
         if(events[i].data.fd == listenfd)      //监听事件
         {
            connfd = accept(listenfd, (sockaddr *)&clientaddr, &clilen); 
            if(connfd < 0)
            {
               perror("connfd<0");
               exit(1);
            }
            setnonblocking(connfd);           //把客户端的socket设置为非阻塞方式
            char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr);
            std::cout << "connect from " << str  <<std::endl;
            ev.data.fd=connfd;                //设置用于读操作的文件描述符
            ev.events=EPOLLIN | EPOLLET;      //设置用于注测的读操作事件
            epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &ev);
            //注册ev事件
         }
         else if(events[i].events&EPOLLIN)      //读事件
         {
            if ( (sockfd = events[i].data.fd) < 0)
            {
               continue;
            }
            if ( (n = read(sockfd, line, MAXLINE))
 < 0) // 这里和IOCP不同
            {
               if (errno == ECONNRESET)
               {
                  close(sockfd);
                  events[i].data.fd = -1; 
               }
               else
               {
                  std::cout<<"readline error"<<std::endl;
               }
            }
            else if (n == 0)
            {
               close(sockfd); 
               events[i].data.fd = -1; 
            }
            ev.data.fd=sockfd;              //设置用于写操作的文件描述符
            ev.events=EPOLLOUT | EPOLLET;   //设置用于注测的写操作事件 
            //修改sockfd上要处理的事件为EPOLLOUT
            epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, sockfd, &ev);
         } 
         else if(events[i].events&EPOLLOUT)//写事件
         {
            sockfd = events[i].data.fd;
            write(sockfd, line, n);
            ev.data.fd = sockfd;               //设置用于读操作的文件描述符
            ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;     //设置用于注册的读操作事件
            //修改sockfd上要处理的事件为EPOLIN
            epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, sockfd, &ev);
         } 
      }
   }
}



8.EPOLL进阶思考
8.1. 问题来源
   最近学习EPOLL模型，介绍中说将EPOLL与Windows IOCP模型进行比较，说其的优势在于解决了IOCP模型大量线程上下文切换的开销，于是可以看出，EPOLL模型不需要多线程，即单线程中可以处理EPOLL逻辑。如果引入多线程反而会引起一些问题。但是EPOLL模型的服务器端到底可以不可以用多线程技术，如果可以，改怎么取舍，这成了困扰我的问题。上网查了一下，有这样几种声音：
   (1) “要么事件驱动(如epoll)，要么多线程，要么多进程，把这几个综合起来使用，感觉更加麻烦。”；
   (2) “单线程使用epoll，但是不能发挥多核；多线程不用epoll。”；
   (3) “主通信线程使用epoll所有需要监控的FD，有事件交给多线程去处理”；
   (4) “既然用了epoll, 那么线程就不应该看到fd, 而只看到的是一个一个的业务请求/响应； epoll将网络数据组装成业务数据后,
 转交给业务线程进行处理。这就是常说的半同步半异步”。
   我比较赞同上述(3)、(4)中的观点
   EPOLLOUT只有在缓冲区已经满了，不可以发送了，过了一会儿缓冲区中有空间了，就会触发EPOLLOUT，而且只触发一次。如果你编写的程序的网络IO不大，一次写入的数据不多的时候，通常都是epoll_wait立刻就会触发
 EPOLLOUT；如果你不调用 epoll，直接写 socket，那么情况就取决于这个socket的缓冲区是不是足够了。如果缓冲区足够，那么写就成功。如果缓冲区不足，那么取决你的socket是不是阻塞的，要么阻塞到写完成，要么出错返回。所以EPOLLOUT事件具有较大的随机性，ET模式一般只用于EPOLLIN, 很少用于EPOLLOUT。
8.2. 具体做法
   (1) 主通信线程使用epoll所有需要监控的FD，负责监控listenfd和connfd，这里只监听EPOLLIN事件，不监听EPOLLOUT事件；
   (2) 一旦从Client收到了数据以后，将其构造成一个消息，放入消息队列中；
   (3) 若干工作线程竞争，从消息队列中取出消息并进行处理，然后把处理结果发送给客户端。发送客户端的操作由工作线程完成。直接进行write。write到EAGAIN或EWOULDBLOCK后，线程循环continue等待缓冲区队列
发送函数代码如下：

bool send_data(int connfd, char *pbuffer, unsigned int &len,int flag)
{
   if ((connfd < 0) || (0  == pbuffer))
   {
      return false;
   }
   
   int result = 0;
   int remain_size = (int) len;
   int send_size = 0;
   const char *p = pbuffer; 


   time_t start_time = time(NULL);
   int time_out = 3;


   do
   {
      if (time(NULL) > start + time_out)
      {
         return false;
      }


      send_size = send(connfd, p, remain_size, flag);
      if (nSentSize < 0)
      {
         if ((errno == EAGAIN) || (errno == EWOULDBLOCK) || (errno == EINTR))
         {
            continue;
         }
         else
         {
            len -= remain_size;
            return false;
         }
      }
 
      p += send_size;
      remain_size -= send_size;
   }while(remain_size > 0);


   return true;
}

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Epoll

2015-11-09 14:01:18

Epoll 一：概念首先我们来定义流的概念，一个流可以是文件，socket，pipe等等可以进行I/O操作的内核对象。不管是文件，还是套接字，还是管道，我们都可以把他们看作流。之后我们来讨论I/O的操作，通过read，我们...


一：概念


首先我们来定义流的概念，一个流可以是文件，socket，pipe等等可以进行I/O操作的内核对象。

不管是文件，还是套接字，还是管道，我们都可以把他们看作流。

之后我们来讨论I/O的操作，通过read，我们可以从流中读入数据；通过write，我们可以往流写入数据。现在假定一个情形，我们需要从流中读数据，但是流中还没有数据，（典型的例子为，客户端要从socket读如数据，但是服务器还没有把数据传回来），这时候该怎么办？
· 阻塞。阻塞是个什么概念呢？比如某个时候你在等快递，但是你不知道快递什么时候过来，而且你没有别的事可以干（或者说接下来的事要等快递来了才能做）；那么你可以去睡觉了，因为你知道快递把货送来时一定会给你打个电话（假定一定能叫醒你）。
· 非阻塞忙轮询。接着上面等快递的例子，如果用忙轮询的方法，那么你需要知道快递员的手机号，然后每分钟给他挂个电话：“你到了没？”
很明显一般人不会用第二种做法，不仅显很无脑，浪费话费不说，还占用了快递员大量的时间。

大部分程序也不会用第二种做法，因为第一种方法经济而简单，经济是指消耗很少的CPU时间，如果线程睡眠了，就掉出了系统的调度队列，暂时不会去瓜分CPU宝贵的时间片了。

为了了解阻塞是如何进行的，我们来讨论缓冲区，以及内核缓冲区，最终把I/O事件解释清楚。缓冲区的引入是为了减少频繁I/O操作而引起频繁的系统调用（你知道它很慢的），当你操作一个流时，更多的是以缓冲区为单位进行操作，这是相对于用户空间而言。对于内核来说，也需要缓冲区。

假设有一个管道，进程A为管道的写入方，Ｂ为管道的读出方。
1. 假设一开始内核缓冲区是空的，B作为读出方，被阻塞着。然后首先A往管道写入，这时候内核缓冲区由空的状态变到非空状态，内核就会产生一个事件告诉Ｂ该醒来了，这个事件姑且称之为“缓冲区非空”。
2. 但是“缓冲区非空”事件通知B后，B却还没有读出数据；且内核许诺了不能把写入管道中的数据丢掉这个时候，Ａ写入的数据会滞留在内核缓冲区中，如果内核也缓冲区满了，B仍未开始读数据，最终内核缓冲区会被填满，这个时候会产生一个I/O事件，告诉进程A，你该等等（阻塞）了，我们把这个事件定义为“缓冲区满”。
3. 假设后来Ｂ终于开始读数据了，于是内核的缓冲区空了出来，这时候内核会告诉A，内核缓冲区有空位了，你可以从长眠中醒来了，继续写数据了，我们把这个事件叫做“缓冲区非满”
4. 也许事件Y1已经通知了A，但是A也没有数据写入了，而Ｂ继续读出数据，知道内核缓冲区空了。这个时候内核就告诉B，你需要阻塞了！，我们把这个时间定为“缓冲区空”。
这四个情形涵盖了四个I/O事件，缓冲区满，缓冲区空，缓冲区非空，缓冲区非满（注都是说的内核缓冲区，且这四个术语都是我生造的，仅为解释其原理而造）。这四个I/O事件是进行阻塞同步的根本。（如果不能理解“同步”是什么概念，请学习操作系统的锁，信号量，条件变量等任务同步方面的相关知识）。

然后我们来说说阻塞I/O的缺点。但是阻塞I/O模式下，一个线程只能处理一个流的I/O事件。如果想要同时处理多个流，要么多进程(fork)，要么多线程(pthread_create)，很不幸这两种方法效率都不高。

于是再来考虑非阻塞忙轮询的I/O方式，我们发现我们可以同时处理多个流了（把一个流从阻塞模式切换到非阻塞模式再此不予讨论）：
我们只要不停的把所有流从头到尾问一遍，又从头开始。这样就可以处理多个流了，但这样的做法显然不好，因为如果所有的流都没有数据，那么只会白白浪费CPU。这里要补充一点，阻塞模式下，内核对于I/O事件的处理是阻塞或者唤醒，而非阻塞模式下则把I/O事件交给其他对象（后文介绍的select以及epoll）处理甚至直接忽略。

为了避免CPU空转，可以引进了一个代理（一开始有一位叫做select的代理，后来又有一位叫做poll的代理，不过两者的本质是一样的）。这个代理比较厉害，可以同时观察许多流的I/O事件，在空闲的时候，会把当前线程阻塞掉，当有一个或多个流有I/O事件时，就从阻塞态中醒来，于是我们的程序就会轮询一遍所有的流（于是我们可以把“忙”字去掉了）。代码长这样:
while true {
for i in stream[]; {
if i has data
read until unavailable
}
}


于是，如果没有I/O事件产生，我们的程序就会阻塞在select处。但是依然有个问题，我们从select那里仅仅知道了，有I/O事件发生了，但却并不知道是那几个流（可能有一个，多个，甚至全部），我们只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。

但是使用select，我们有O(n)的无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，每一次无差别轮询时间就越长。再次

说了这么多，终于能好好解释epoll了，epoll可以理解为event poll，不同于忙轮询和无差别轮询，epoll之会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们。此时我们对这些流的操作都是有意义的。（复杂度降低到了O(k)，k为产生I/O事件的流的个数，也有认为O(1)的）

在讨论epoll的实现细节之前，先把epoll的相关操作列出：
· epoll_create 创建一个epoll对象，一般epollfd = epoll_create()
· epoll_ctl （epoll_add/epoll_del的合体），往epoll对象中增加/删除某一个流的某一个事件
· epoll_wait(epollfd,...)等待直到注册的事件发生
（注：当对一个非阻塞流的读写发生缓冲区满或缓冲区空，write/read会返回-1，并设置errno=EAGAIN。而epoll只关心缓冲区非满和缓冲区非空事件）。

一个epoll模式的代码大概的样子是：
while true {
active_stream[] = epoll_wait(epollfd)
for i in active_stream[] {
read or write till unavailable
}
}
二：select和poll多路复用模型
select的缺点：
1. 单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，通常是1024，当然可以更改数量，但由于select采用轮询的方式扫描文件描述符，文件描述符数量越多，性能越差；
2. (在linux内核头文件中，有这样的定义：#define __FD_SETSIZE 1024)
3. 内核 / 用户空间内存拷贝问题，select需要复制大量的句柄数据结构，产生巨大的开销；
4. select返回的是含有整个句柄的数组，应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件；
5. select的触发方式是水平触发，应用程序如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行IO操作，那么之后每次select调用还是会将这些文件描述符通知进程。
相比select模型，poll使用链表保存文件描述符，因此没有了监视文件数量的限制，但其他三个缺点依然存在。
拿select模型为例，假设我们的服务器需要支持100万的并发连接，则在__FD_SETSIZE 为1024的情况下，则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。除了进程间上下文切换的时间消耗外，从内核/用户空间大量的无脑内存拷贝、数组轮询等，是系统难以承受的。因此，基于select模型的服务器程序，要达到10万级别的并发访问，是一个很难完成的任务。
因此，该epoll上场了。
三：epoll多路复用模型实现机制
由于epoll的实现机制与select/poll机制完全不同，上面所说的 select的缺点在epoll上不复存在。
设想一下如下场景：有100万个客户端同时与一个服务器进程保持着TCP连接。而每一时刻，通常只有几百上千个TCP连接是活跃的(事实上大部分场景都是这种情况)。如何实现这样的高并发？
在select/poll时代，服务器进程每次都把这100万个连接告诉操作系统(从用户态复制句柄数据结构到内核态)，让操作系统内核去查询这些套接字上是否有事件发生，轮询完后，再将句柄数据复制到用户态，让服务器应用程序轮询处理已发生的网络事件，这一过程资源消耗较大，因此，select/poll一般只能处理几千的并发连接。
epoll的设计和实现与select完全不同。epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统(文件系统一般用什么数据结构实现？B+树)。把原先的select/poll调用分成了3个部分：
1）调用epoll_create()建立一个epoll对象(在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源)
2）调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接的套接字
3）调用epoll_wait收集发生的事件的连接
如此一来，要实现上面说是的场景，只需要在进程启动时建立一个epoll对象，然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同时，epoll_wait的效率也非常高，因为调用epoll_wait时，并没有一股脑的向操作系统复制这100万个连接的句柄数据，内核也不需要去遍历全部的连接。

四：Linux内核具体的epoll机制实现思路

当某一进程调用epoll_create方法时，Linux内核会创建一个eventpoll结构体，这个结构体中有两个成员与epoll的使用方式密切相关。eventpoll结构体如下所示：
struct eventpoll{
    ....
    /*红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/
    struct rb_root  rbr;
    /*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/
    struct list_head rdlist;
    ....
};


每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体，用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。这些事件都会挂载在红黑树中，如此，重复添加的事件就可以通过红黑树而高效的识别出来(红黑树的插入时间效率是lgn，其中n为树的高度)。
而所有添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系，也就是说，当相应的事件发生时会调用这个回调方法。这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback,它会将发生的事件添加到rdlist双链表中。
在epoll中，对于每一个事件，都会建立一个epitem结构体，如下所示：
struct epitem{
    struct rb_node  rbn;//红黑树节点
    struct list_head    rdllink;//双向链表节点
     struct epoll_filefd  ffd;  //事件句柄信息
    struct eventpoll *ep;    //指向其所属的eventpoll对象
  struct epoll_event event; //期待发生的事件类型
}
当调用epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不为空，则把发生的事件复制到用户态，同时将事件数量返回给用户。

epoll数据结构示意图


从上面的讲解可知：通过红黑树和双链表数据结构，并结合回调机制，造就了epoll的高效。
OK，讲解完了Epoll的机理，我们便能很容易掌握epoll的用法了。一句话描述就是：三步曲。
第一步：epoll_create()系统调用。此调用返回一个句柄，之后所有的使用都依靠这个句柄来标识。
第二步：epoll_ctl()系统调用。通过此调用向epoll对象中添加、删除、修改感兴趣的事件，返回0标识成功，返回-1表示失败。
第三部：epoll_wait()系统调用。通过此调用收集收集在epoll监控中已经发生的事件。
最后，附上一个epoll编程实例.
Epoll_server.cpp

/*
 * FileName: epoll_server.cpp
 *
 * Description: this is a epoll server example.
 *
 * Version: 1.0
 *
 * Created: 27/10/2015
 *
 * Revision: none
 *
 * Author: kay wang-kai@cardinfo.com.cn
 *
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/fcntl.h>
#include <sys/errno.h>
#include <sys/unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <arpa/inet.h>

#define BUFFER_SIZE 40
#define MAX_EVENTS 10
#define PORT 8000
#define MAX_LOG 5

int main(int argc, char* argv[])
{
	// create server socket.
	int server_socket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if(server_socket < 0)
	{
		perror("create socket.");
		return -1;
	}

	// init and bind.
	struct sockaddr_in server_addr;
	memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
	server_addr.sin_port = htons(PORT);
	if(bind(server_socket, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(struct sockaddr)) < 0)
	{
		perror("bind.");
		return -1;
	}

	// listen.
	if(listen(server_socket, MAX_LOG) < 0)
	{
		perror("listen.");
		return -1;
	}

	// create epoll.
	int epoll_fd = epoll_create(MAX_EVENTS);
	if(epoll_fd < 0)
	{
		perror("epoll create failed.");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	struct epoll_event ev;// epoll event struct.
	struct epoll_event events[MAX_EVENTS];// event listen queue.
	ev.events = EPOLLIN;
	ev.data.fd = server_socket;

	// register listen event server_socket to epoll
	if(epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, server_socket, &ev) < 0)
	{
		perror("epoll_ctl:server_socket register failed.");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	// accept client quest.
	struct sockaddr_in client_addr;
	socklen_t sin_size = sizeof(client_addr);
	char buf[BUFFER_SIZE];
	while(true)
	{
		printf("wait...\n");
		// wait event happen.
		int nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);
		if(nfds < 0)
		{
			perror("start epoll_wait failed.");
			exit(EXIT_FAILURE);
		}
		printf("nfds = %d\n", nfds);
		for(int i = 0; i < nfds; ++i)
		{
			if((events[i].events & EPOLLERR) || (events[i].events & EPOLLHUP) || !(events[i].events & EPOLLIN))
			{
				perror("epoll error.");
				close(events[i].data.fd);
				continue;
			}
			if(events[i].data.fd == server_socket)// there is a new connection.
			{
				int client_socket = accept(server_socket, (struct sockaddr*)&client_addr, &sin_size);
				if(client_socket < 0)
				{
					perror("accept client_socket failed.");
					exit(EXIT_FAILURE);
				}
				struct epoll_event ev_tmp;
				ev_tmp.events = EPOLLIN;
				ev_tmp.data.fd = client_socket;
				if(epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, client_socket, &ev_tmp) < 0)
				{
					perror("epoll_ctl: client_socket register failed.");
					exit(EXIT_FAILURE);
				}
				printf("accept client %s\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr));
			}
			else// there is data.
			{
				if(recv(events[i].data.fd, buf, BUFFER_SIZE, 0) < 0)
				{
					perror("receive from client failed.");
					exit(EXIT_FAILURE);
				}
				printf("receive from client:%s\n", buf);
				send(events[i].data.fd, "I have received your message.", 30, 0);
			}
		}
	}

	return 0;
}


epoll_client.cpp


/*
 * FileName: epoll_client.cpp

 * Description: this is a epoll client example.
 *
 * Version: 1.0
 *
 * Created: 27/10/2015
 *
 * Revision: none
 *
 * Author: kay wang-kai@cardinfo.com.cn
 *
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/fcntl.h>
#include <sys/errno.h>
#include <sys/unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <arpa/inet.h>

#define BUFFER_SIZE 40
#define MAX_EVENTS 10
#define PORT 8000
#define MAX_LOG 5

int main(int argc, char* argv[])
{
	// init and connect.
	struct sockaddr_in server_addr;
	memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");// server ip addr.
	server_addr.sin_port = htons(PORT);// server port.

	int client_socket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if(client_socket < 0)
	{
		perror("client socket create failed.");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	// connect.
	if(connect(client_socket, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(struct sockaddr)) < 0)
	{
		perror("connect to server failed.");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	// listen server.
	char buf[BUFFER_SIZE];
	while(true)
	{
		printf("please input the message:");
		scanf("%s", buf);

		// exit.
		if(strcmp(buf, "q") == 0)
		{
			break;
		}

		// send.
		send(client_socket, buf, BUFFER_SIZE, 0);

		// receive message from sever.
		int len = recv(client_socket, buf, BUFFER_SIZE, 0);
		printf("receive from server:%s\n", buf);
		if(len < 0)
		{
			perror("receive from server failed.");
			exit(EXIT_FAILURE);
		}
	}
	// close.
	close(client_socket);

	return 0;
}



【参考】
http://www.cricode.com/3499.html
http://www.zhihu.com/question/20122137/answer/14049112

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