I/O多路复用之epoll

Posted 2020-07-30

一、什么是epoll

    epoll是Linux内核为处理大批量文件描述符而作了改进的poll，是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本，它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。另一点原因就是获取事件的时候，它无须遍历整个被侦听的描述符集，只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符集合就行了。epoll除了提供select/poll那种IO事件的水平触发（Level Triggered）外，还提供了边缘触发（Edge Triggered），这就使得用户空间程序有可能缓存IO状态，减少epoll_wait/epoll_pwait的调用，提高应用程序效率。

二、epoll的相关系统调用 

epoll只有epoll_create,epoll_ctl,epoll_wait 3个系统调用。 

1. int epoll_create(int size); 

   
   

创建一个epoll的句柄。从linux2.6.8之后，size参数是被忽略的。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。

返回值：

 

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

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

其中events表示感兴趣的事件，data表示保存触发事件的某个文件描述符的相关数据。

events可以是以下个宏的集合： 

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（这应该表有带外数据到来）； 

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队列中。

返回值：

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有多少，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，如返回0表示已超时。

 

epoll工作原理 

epoll同样只告知那些就绪的文件描述符，并且当我们调用epoll_wait()获得就绪文件描述符时，返回的不是实际的描述符，而是一个代表就绪描述符数量的值，你只需要去epoll指定的一个数组中依次取得相应数量的文件描述符即可，这里也使用了内存映射（mmap）技术，这样便彻底省掉了这些文件描述符在系统调用时复制的开销。 

  

另一个本质的改进在于epoll采用基于事件的就绪通知方式。在select/poll中，进程只有在调用一定的方法后，内核才对所有监视的文件描述符进行扫描，epoll事先通过epoll_ctl()来注册某个文件描述符，一旦基于某个文件描述符就绪时，内核会采用类似callback的回调机制，迅速激活这个文件描述符，当进程调用epoll_wait()时便得到通知。

三、epoll有两种工作方式-LT（水平触发）和ET（边缘触发）

（1）以LT方式调用epoll接口的时候，它就相当于一个速度比较较快的poll(2)，并且无论后面的数据是否被使用，因此他们具有同样的职能。 

LT(level triggered)是epoll缺省的工作方式，并且同时支持block和no-block socket.在这种做法

中，内核告诉你某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．

LT模式代码如下：

运行结果：用telnet测试，结果如图

sever端收到消息后再将消息在发送回去，为一问一答模式。

用浏览器访问，修改代码如下：

运行结果为：

（2）ET工作模式

如果我们将某个文件描述符添加到epoll描述符的时候使用了EPOLLET标志，那么在调用epoll_wait(2)之后将有可能会挂起，因为剩余的数据还存在于文件的输入缓冲区内，并且数据发出端还在等待一个针对已经发出数据的反馈信息。只有在监视的文件句柄上发生了某个事件的时候 ET工作模式才会汇报事件。因此，调用者可能会放弃等待仍在存在于文件输入缓冲区内的剩余数据。

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。最好以下面的方式调用ET模式的epoll接口。 

   i    基于非阻塞文件句柄 

   ii   只有当read(2)或者write(2)返回EAGAIN时才需要挂起，等待。但这并不是说每次read()时都需要循环读，直到读到产生意个EAGAIN才认为此次事件处理完成，当read()返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时，就可以确定此时缓冲中已没有数据了，也就可以认为此时读事件已处理完成。 

代码如下:

运行结果如下：

ET (edge-triggered)是高速工作模式，只支持no-block socket，它效率要比LT更。ET与LT的区别在于，当一个新的事件到来时，ET模式下当然可以从epoll_wait调用中获取到这个事件，可是如果这次没有把这个事件对应的套接字缓冲区处理完，在这个套接字中没有新的事件再次到来时，在ET模式下是无法再次从epoll_wait调用中获取这个事件的。而LT模式正好相反，只要一个事件对应的套接字缓冲区还有数据，就总能从epoll_wait中获取这个事件。 

因此，LT模式下开发基于epoll的应用要简单些，不太容易出错。如果在ET模式下事件发生时，如果没有彻底地将缓冲区数据处理完，则会导致缓冲区中的用户请求得不到响应。

 epollET模式fd为何必须设置为非阻塞：

ET（边缘触发）数据就绪只会通知以次，也就是说，如果要使用ET模式，当数据就绪时，需要一直read，直到出错或完成为止。但倘若当前fd为阻塞（默认），那么在当读完缓冲区内的数据时，如果对端并没有关闭写端，那么该read函数会一直阻塞，影响其他fd以及后续逻辑！所以此时将该fd设置为非阻塞，当没有数据的时候，read虽然读取不到任何内容，但是肯定不会被hang住，那么此时，说明缓冲区数据已经读取完毕，需要继续处理后续逻辑（读取其他fd或者进行wait）。 

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