unix网络编程——I/O多路复用之epoll

Posted 2020-12-31 motivated_Dou

1. 基本概念

　　当程序进行IO时，如果数据尚未准备好，那么IO将处于阻塞状态。当某个进程有多个打开的文件，比如socket，那么其后的所有准备好读写的文件将受到阻塞的影响而不能操作。不借助线程，单一进程无法在同一时间服务多个文件描述符。非阻挡式IO可以作为一个解决方案，但是效率并不高。首先进程需要不断发IO请求，其次，如果程序可以休眠，让出CPU将提高效率。多任务式IO是在其中任何一个文件描述符就绪时收到通知，此时IO将不会受到阻挡，其余时间处于休眠状态，将CPU资源让给别的进程。

　　为了实现I/O多路复用,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。相比于select，epoll最大的好处在于它不会随着监听fd数目的增长而降低效率。

2. api

#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);

• int epoll_create(int size) [创建句柄]

　　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。

　　函数生成一个epoll专用的文件描述符。它其实是在内核申请一空间，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。随你定好了。只要你有空间。可参见上面与select之不同

• int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)[事件注册函数]

　　epoll的事件注册函数，对比select()函数，select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件，而epoll是在调用epoll_ctl函数的时候，先注册要监听的事件类型。

　　epfd：epoll_create()的返回值；
　　op：表示要进行的操作，操作的动作使用了宏定义：

1. 1. EPOLL_CTL_ADD： 注册新的fd到epfd中；
   2. EPOLL_CTL_MOD： 修改已经注册的fd的监听事件；
   3. EPOLL_CTL_DEL： 删除epfd中的一个fd；

　　fd：关联的文件描述符，表示需要监听的fd；
　　event：指向epoll_event的指针，告诉内核需要监听什么事件，epoll_event的结构如下：

struct epoll_event {
__uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};

 events描述事件类型，使用了宏定义：

　　1. EPOLLIN：表示对应的文件描述符可以读（包括对端socket正常关闭）；

　　2. EPOLLOUT： 表示对应的文件描述符可以写；

　　3. EPOLLPRI： 表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（表示有外数据到来）；

　　4. EPOLLHUP： 表示对应的文件描述符被挂断；

　　5. EPOLLET： 将EPOLL设置为边缘触发（Edge Triggered）模式；

　　6. EPOLLONESHOT： 只监听一次事件，当监听玩这次事件之后，如果还需要继续监听，需要再次将该socket加入EPOLL队列中。

• int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout) [等待事件触发]

　　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表示不确定）。该函数返回需要处理的事件数目，如返回0表示已超时。

3.epoll工作模式

　　epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT（level trigger，水平触发）和ET（edge trigger，边缘触发）。

　　LT模式：水平触发是缺省的工作方式。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（进行IO操作）。下次调用epoll_wait时，会再次响应应用程序并通知此事件。由于对于描述事件符在处理前会进行多次通知，因此出错的概率小；

　　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，此时它会假设你知道文件描述符已就绪，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，直到做了一定操作导致该文件描述符再次变为未就绪状态。但是如果一直对该fd进行IO操作（）

　　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。