IO多路复用之epoll

1、基本知识

epoll是在2.6内核中提出的，是之前的select和poll的增强版本。相对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。

2、epoll接口

epoll操作过程需要三个接口，分别如下：

#include <sys/epoll.h>

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);

（1） int epoll_create(int size);

创建一个epoll的句柄，size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。这个参数不同于select()中的第一个参数，给出最大监听的fd+1的值。需要注意的是，当创建好epoll句柄后，它就是会占用一个fd值，在linux下如果查看/proc/进程id/fd/，是能够看到这个fd的，所以在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽。

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

epoll的事件注册函数，它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件epoll的事件注册函数，它不同与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，struct epoll_event结构如下：

struct epoll_event {

__uint32_t events; /* Epoll events */

epoll_data_t data; /* User data variable */

};

events可以是以下几个宏的集合：

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);

等待事件的产生，类似于select()调用。参数events用来从内核得到事件的集合，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）。该函数返回需要处理的事件数目，如返回0表示已超时。

3、工作模式

epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT（level trigger）和ET（edge trigger）。LT模式是默认模式，LT模式与ET模式的区别如下：

LT模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时，会再次响应应用程序并通知此事件。

ET模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次响应应用程序并通知此事件。

ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

4、测试程序

编写一个服务器回射程序echo，练习epoll过程。

服务器代码如下所示：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <errno.h>

#include <netinet/in.h>

#include <sys/socket.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <sys/epoll.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>

#define IPADDRESS  "127.0.0.1"

#define PORT    8787

#define MAXSIZE  1024

#define LISTENQ  5

#define FDSIZE  1000

#define EPOLLEVENTS 100

//函数声明

//创建套接字并进行绑定

static int socket_bind(const char* ip,int port);

//IO多路复用epoll

static void do_epoll(int listenfd);

//事件处理函数

static void

handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int listenfd,char *buf);

//处理接收到的连接

static void handle_accpet(int epollfd,int listenfd);

//读处理

static void do_read(int epollfd,int fd,char *buf);

//写处理

static void do_write(int epollfd,int fd,char *buf);

//添加事件

static void add_event(int epollfd,int fd,int state);

//修改事件

static void modify_event(int epollfd,int fd,int state);

//删除事件

static void delete_event(int epollfd,int fd,int state);

int main(int argc,char *argv[])

{

  int listenfd;

  listenfd = socket_bind(IPADDRESS,PORT);

  listen(listenfd,LISTENQ);

  do_epoll(listenfd);

  return 0;

}

static int socket_bind(const char* ip,int port)

{

  int listenfd;

  struct sockaddr_in servaddr;

  listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

  if (listenfd == -1)

  {

    perror("socket error:");

    exit(1);

  }

  bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));

  servaddr.sin_family = AF_INET;

  inet_pton(AF_INET,ip,&servaddr.sin_addr);

  servaddr.sin_port = htons(port);

  if (bind(listenfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr)) == -1)

  {

    perror("bind error: ");

    exit(1);

  }

  return listenfd;

}

static void do_epoll(int listenfd)

{

  int epollfd;

  struct epoll_event events[EPOLLEVENTS];

  int ret;

  char buf[MAXSIZE];

  memset(buf,0,MAXSIZE);

  //创建一个描述符

  epollfd = epoll_create(FDSIZE);

  //添加监听描述符事件

  add_event(epollfd,listenfd,EPOLLIN);

  for ( ; ; )

  {

    //获取已经准备好的描述符事件

    ret = epoll_wait(epollfd,events,EPOLLEVENTS,-1);

    handle_events(epollfd,events,ret,listenfd,buf);

  }

  close(epollfd);

}

static void

handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int listenfd,char *buf)

{

  int i;

  int fd;

  //进行选好遍历

  for (i = 0;i < num;i++)

  {

    fd = events[i].data.fd;

    //根据描述符的类型和事件类型进行处理

    if ((fd == listenfd) &&(events[i].events & EPOLLIN))

      handle_accpet(epollfd,listenfd);

    else if (events[i].events & EPOLLIN)

      do_read(epollfd,fd,buf);

    else if (events[i].events & EPOLLOUT)

      do_write(epollfd,fd,buf);

  }

}

static void handle_accpet(int epollfd,int listenfd)

{

  int clifd;

  struct sockaddr_in cliaddr;

  socklen_t cliaddrlen;

  clifd = accept(listenfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&cliaddrlen);

  if (clifd == -1)

    perror("accpet error:");

  else

  {

    printf("accept a new client: %s:%d\n",inet_ntoa(cliaddr.sin_addr),cliaddr.sin_port);

    //添加一个客户描述符和事件

    add_event(epollfd,clifd,EPOLLIN);

  }

}

static void do_read(int epollfd,int fd,char *buf)

{

  int nread;

  nread = read(fd,buf,MAXSIZE);

  if (nread == -1)

  {

    perror("read error:");

    close(fd);

    delete_event(epollfd,fd,EPOLLIN);

  }

  else if (nread == 0)

  {

    fprintf(stderr,"client close.\n");

    close(fd);

    delete_event(epollfd,fd,EPOLLIN);

  }

  else

  {

    printf("read message is : %s",buf);

    //修改描述符对应的事件，由读改为写

    modify_event(epollfd,fd,EPOLLOUT);

  }

}

static void do_write(int epollfd,int fd,char *buf)

{

  int nwrite;

  nwrite = write(fd,buf,strlen(buf));

  if (nwrite == -1)

  {

    perror("write error:");

    close(fd);

    delete_event(epollfd,fd,EPOLLOUT);

  }

  else

    modify_event(epollfd,fd,EPOLLIN);

  memset(buf,0,MAXSIZE);

}

static void add_event(int epollfd,int fd,int state)

{

  struct epoll_event ev;

  ev.events = state;

  ev.data.fd = fd;

  epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev);

}

static void delete_event(int epollfd,int fd,int state)

{

  struct epoll_event ev;

  ev.events = state;

  ev.data.fd = fd;

  epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,&ev);

}

static void modify_event(int epollfd,int fd,int state)

{

  struct epoll_event ev;

  ev.events = state;

  ev.data.fd = fd;

  epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&ev);

}

客户端也用epoll实现，控制STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO、和sockfd三个描述符，程序如下所示：

#include <netinet/in.h>

#include <sys/socket.h>

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <stdlib.h>

#include <sys/epoll.h>

#include <time.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>

#include <arpa/inet.h>

#define MAXSIZE  1024

#define IPADDRESS  "127.0.0.1"

#define SERV_PORT  8787

#define FDSIZE    1024

#define EPOLLEVENTS 20

static void handle_connection(int sockfd);

static void

handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int sockfd,char *buf);

static void do_read(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf);

static void do_read(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf);

static void do_write(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf);

static void add_event(int epollfd,int fd,int state);

static void delete_event(int epollfd,int fd,int state);

static void modify_event(int epollfd,int fd,int state);

int main(int argc,char *argv[])

{

  int        sockfd;

  struct sockaddr_in servaddr;

  sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

  bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));

  servaddr.sin_family = AF_INET;

  servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

  inet_pton(AF_INET,IPADDRESS,&servaddr.sin_addr);

  connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));

  //处理连接

  handle_connection(sockfd);

  close(sockfd);

  return 0;

}

static void handle_connection(int sockfd)

{

  int epollfd;

  struct epoll_event events[EPOLLEVENTS];

  char buf[MAXSIZE];

  int ret;

  epollfd = epoll_create(FDSIZE);

  add_event(epollfd,STDIN_FILENO,EPOLLIN);

  for ( ; ; )

  {

    ret = epoll_wait(epollfd,events,EPOLLEVENTS,-1);

    handle_events(epollfd,events,ret,sockfd,buf);

  }

  close(epollfd);

}

static void

handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int sockfd,char *buf)

{

  int fd;

  int i;

  for (i = 0;i < num;i++)

  {

    fd = events[i].data.fd;

    if (events[i].events & EPOLLIN)

      do_read(epollfd,fd,sockfd,buf);

    else if (events[i].events & EPOLLOUT)

      do_write(epollfd,fd,sockfd,buf);

  }

}

static void do_read(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf)

{

  int nread;

  nread = read(fd,buf,MAXSIZE);

    if (nread == -1)

  {

    perror("read error:");

    close(fd);

  }

  else if (nread == 0)

  {

    fprintf(stderr,"server close.\n");

    close(fd);

  }

  else

  {

    if (fd == STDIN_FILENO)

      add_event(epollfd,sockfd,EPOLLOUT);

    else

    {

      delete_event(epollfd,sockfd,EPOLLIN);

      add_event(epollfd,STDOUT_FILENO,EPOLLOUT);

    }

  }

}

static void do_write(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf)

{

  int nwrite;

  nwrite = write(fd,buf,strlen(buf));

  if (nwrite == -1)

  {

    perror("write error:");

    close(fd);

  }

  else

  {

    if (fd == STDOUT_FILENO)

      delete_event(epollfd,fd,EPOLLOUT);

    else

      modify_event(epollfd,fd,EPOLLIN);

  }

  memset(buf,0,MAXSIZE);

}

static void add_event(int epollfd,int fd,int state)

{

  struct epoll_event ev;

  ev.events = state;

  ev.data.fd = fd;

  epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev);

}

static void delete_event(int epollfd,int fd,int state)

{

  struct epoll_event ev;

  ev.events = state;

  ev.data.fd = fd;

  epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,&ev);

}

static void modify_event(int epollfd,int fd,int state)

{

  struct epoll_event ev;

  ev.events = state;

  ev.data.fd = fd;

  epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&ev);

}

5、测试结果

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