Linux中I/O复用机制epoll

1. 为什么会出现 epoll？

在早期的网络编程中，select 是一个非常常用的 I/O 复用机制，用于在多个文件描述符（如套接字）上进行 I/O 操作的检测。select 会将多个文件描述符传入，轮询检查它们的状态，看哪些是可以读取、写入或者异常的。然而，select 存在以下几个问题，特别是在需要处理大量文件描述符时，epoll 的出现就是为了解决这些问题：

Linux中的 I/O 复用机制 select-CSDN博客

select 存在的问题：

1. 文件描述符限制 ：select 的一个关键限制是它最大支持的文件描述符数量，通常是 1024（这个数量在 Linux 中默认定义为 FD_SETSIZE）。如果需要监控更多的文件描述符，select 就不适用了。

2. 每次调用 select 都要传入整个文件描述符集合 ：在每次调用 select 时，系统需要扫描整个文件描述符集合，检查每个文件描述符的状态，即使其中很多文件描述符并未发生变化。这种轮询会带来较高的开销，尤其是在大量文件描述符的情况下。

3. 性能低下 ：select 的机制是阻塞 式的，当有大量文件描述符时，性能会下降，特别是当许多文件描述符没有变化时，select 还是需要遍历所有文件描述符集合。

select示意图

为了应对这些问题，Linux 引入了 epoll，它是一种更加高效的 I/O 复用机制，专门用于处理大量的文件描述符。

2. epoll 的作用

epoll 是一种 事件驱动的 I/O 复用 机制，主要解决了传统的 select 和 poll 的性能瓶颈。它的出现，主要是为了更高效地处理成千上万的连接。epoll 的优势包括：

• 高效的事件通知机制 ：与 select 和 poll 不同，epoll 采用基于内核的事件通知机制，只有当文件描述符的状态发生变化时，才会通知应用程序。这避免了不必要的遍历和检查，从而提高了效率。

• 支持大规模文件描述符 ：epoll 可以支持数万个文件描述符，不再受 select 文件描述符限制（1024个）。

• 单次注册，持续监控：通过一次注册文件描述符，就可以持续地对其进行监控，避免每次调用时都要传递整个文件描述符集合。

epoll示意图

3. epoll 的工作原理

epoll 的工作原理基于 事件通知，它的基本流程包括以下几个步骤：

1. 创建 epoll 实例 ： 使用 epoll_create() 创建一个 epoll 实例，返回一个 epoll 文件描述符。

2. 注册文件描述符 ： 使用 epoll_ctl() 向 epoll 实例注册需要监控的文件描述符，指定这些文件描述符上的事件（如读事件、写事件、异常事件）。

3. 等待事件发生 ： 使用 epoll_wait() 阻塞或非阻塞地等待文件描述符上的事件发生。当某个文件描述符的事件发生时，epoll_wait() 返回。

4. 事件处理： 事件发生后，应用程序处理相关文件描述符的数据传输或者其他操作。

epoll 的 API 解释

1. epoll_create() 用于创建一个 epoll 实例。

   int epoll_create(int size);

   • size 参数用于指定内核为该 epoll 实例分配多少空间，这个值在现代 Linux 中并没有实际作用。

   • 返回值：成功时返回一个 epoll 实例的文件描述符，失败时返回 -1。

2. epoll_ctl() 用于添加、修改或删除文件描述符的监控事件。

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

   • epfd：epoll 实例的文件描述符。

   • op：操作类型（EPOLL_CTL_ADD、EPOLL_CTL_MOD、EPOLL_CTL_DEL）。

   • fd：要监控的文件描述符。

   • event：指定要监控的事件类型（例如 EPOLLIN、EPOLLOUT 等）。

3. epoll_wait() 用于等待并获取已经就绪的文件描述符事件。

   int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

   • epfd：epoll 实例的文件描述符。

   • events：保存就绪事件的数组。

   • maxevents：最多返回的事件数。

   • timeout：等待时间，单位为毫秒，0 为不阻塞，-1 为无限等待。

4. epoll 与 select 的区别

特性	select	epoll
文件描述符数目	有最大限制（一般为1024）	无限制，支持成千上万的文件描述符
性能	文件描述符多时性能差	只有状态变化的文件描述符会被通知，性能优越
事件通知方式	每次调用都需要遍历所有文件描述符	基于事件的通知机制，只有状态变化才通知
内存开销	需要传递整个文件描述符集合	只需要传递事件队列，开销较小

5. 示例代码

下面是一个简单的使用 epoll 的服务器端示例，它可以同时处理多个客户端连接：

// 服务器端 (`epoll` 示例)
​
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
​
#define BUF_SIZE 1024
#define MAX_EVENTS 10
​
void error_handling(char *message);
​
int main(int argc, char *argv[]) {
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    socklen_t clnt_adr_sz;
    char buf[BUF_SIZE];
    int str_len;
    struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];
    int epfd, event_count;
​
    if (argc != 2) {
        printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    
    // 创建服务端套接字
    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
    
    // 绑定地址
    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");
    
    // 开始监听
    if (listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");
    
    // 创建 epoll 实例
    epfd = epoll_create1(0);
    if (epfd == -1)
        error_handling("epoll_create1() error");
    
    // 注册监听套接字到 epoll
    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = serv_sock;
    if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &ev) == -1)
        error_handling("epoll_ctl() error");
    
    while (1) {
        // 等待事件发生
        event_count = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1);
        if (event_count == -1)
            error_handling("epoll_wait() error");
    
        // 处理就绪的事件
        for (int i = 0; i < event_count; i++) {
            if (events[i].data.fd == serv_sock) {
                // 新客户端连接
                clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
                clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
                if (clnt_sock == -1)
                    error_handling("accept() error");
    
                // 将客户端套接字添加到 epoll 中
                ev.events = EPOLLIN;
                ev.data.fd = clnt_sock;
                if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clnt_sock, &ev) == -1)
                    error_handling("epoll_ctl() error");
                printf("New client connected: %d\n", clnt_sock);
            } else {
                // 处理客户端数据
                str_len = read(events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE);
                if (str_len == 0) {
                    // 客户端关闭连接
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, events[i].data.fd, NULL);
                    close(events[i].data.fd);
                    printf("Client disconnected: %d\n", events[i].data.fd);
                } else {
                    // 回显数据
                    write(events[i].data.fd, buf, str_len);
                }
            }
        }
    }
    
    close(serv_sock);
    return 0;
​
}
​
void error_handling(char *message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

6. 总结

• epoll 是一种比 select 更高效的 I/O 复用机制，特别适用于需要处理大量并发连接的服务器。

• 它通过事件驱动的方式来提高性能，避免了每次调用时遍历所有文件描述符的开销。

• epoll 具有高效的性能，并且不受文件描述符数量的限制，适合大规模的并发处理场景。

epoll 对比 select 的优势使得它成为高并发网络编程中的主流选择，尤其是在 Linux 系统中。