IO多路复用--epoll

一、概述

IO 多路转接的意思是在一个操作里同时监听多个输入输出源，在其中一个或多个输入输出源可用的时候返回，然后对其的进行读写操作。epoll 是 select 和 poll 的升级版，相较于这两个前辈，epoll 改进了工作方式，因此它更加高效。

epoll相对于select/poll，有以下优点：

对于待检测集合select和poll是基于线性方式处理的，epoll是基于红黑树来管理待检测集合的。
select和poll每次都会线性扫描整个待检测集合，集合越大速度越慢，epoll使用的是回调机制，效率高，处理效率也不会随着检测集合的变大而下降
select和poll工作过程中存在内核/用户空间数据的频繁拷贝问题，在epoll中内核和用户区使用的是共享内存（基于mmap内存映射区实现），省去了不必要的内存拷贝。
程序猿需要对select和poll返回的集合进行判断才能知道哪些文件描述符是就绪的，通过epoll可以直接得到已就绪的文件描述符集合，无需再次检测
使用 epoll 没有最大文件描述符的限制，仅受系统中进程能打开的最大文件数目限制

二、epoll的应用

linux提供如下三个epoll函数，分别处理不同的操作，函数原型如下：

c 复制代码

#include <sys/epoll.h>
// 创建epoll实例，通过一棵红黑树管理待检测集合
int epoll_create(int size);
// 管理红黑树上的文件描述符(添加、修改、删除)
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
// 检测epoll树中是否有就绪的文件描述符
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

epoll_create() 函数的作用是创建一个红黑树模型的实例，用于管理待检测的文件描述符的集合。

c 复制代码

int epoll_create(int size);

函数参数 size：在 Linux 内核 2.6.8 版本以后，这个参数是被忽略的，只需要指定一个大于 0 的数值就可以了。
函数返回值：
- 失败：返回 - 1
- 成功：返回一个有效的文件描述符，通过这个文件描述符就可以访问创建的 epoll 实例了

epoll_ctl() 函数的作用是管理红黑树实例上的节点，可以进行添加、删除、修改操作。

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// 联合体, 多个变量共用同一块内存        
typedef union epoll_data {
 	void        *ptr;
	int          fd;	// 通常情况下使用这个成员, 和epoll_ctl的第三个参数相同即可
	uint32_t     u32;
	uint64_t     u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event {
	uint32_t     events;      /* Epoll events */
	epoll_data_t data;        /* User data variable */
};
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

函数参数
- epfd：epoll_create () 函数的返回值，通过这个参数找到 epoll 实例
- op：这是一个枚举值，控制通过该函数执行什么操作
  - EPOLL_CTL_ADD：往 epoll 模型中添加新的节点
  - EPOLL_CTL_MOD：修改 epoll 模型中已经存在的节点
  - EPOLL_CTL_DEL：删除 epoll 模型中的指定的节点
- fd：文件描述符，即要添加 / 修改 / 删除的文件描述符
- event：epoll 事件，用来修饰第三个参数对应的文件描述符的，指定检测这个文件描述符的什么事件
  - events：委托 epoll 检测的事件
    - EPOLLIN：读事件，接收数据，检测读缓冲区，如果有数据该文件描述符就绪
    - EPOLLOUT：写事件，发送数据，检测写缓冲区，如果可写该文件描述符就绪
    - EPOLLERR：异常事件
  - data：用户数据变量，这是一个联合体类型，通常情况下使用里边的 fd 成员，用于存储待检测的文件描述符的值，在调用 epoll_wait() 函数的时候这个值会被传出。
函数返回值：
- 失败：返回 - 1
- 成功：返回 0

epoll_wait() 函数的作用是检测创建的 epoll 实例中有没有就绪的文件描述符。

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

函数参数：
- epfd：epoll_create () 函数的返回值，通过这个参数找到 epoll 实例
- events：传出参数，这是一个结构体数组的地址，里边存储了已就绪的文件描述符的信息
- maxevents：修饰第二个参数，结构体数组的容量（元素个数）
- timeout：如果检测的 epoll 实例中没有已就绪的文件描述符，该函数阻塞的时长，单位 ms 毫秒
  - 0：函数不阻塞，不管 epoll 实例中有没有就绪的文件描述符，函数被调用后都直接返回
  - 大于 0：如果 epoll 实例中没有已就绪的文件描述符，函数阻塞对应的毫秒数再返回
  - -1：函数一直阻塞，直到 epoll 实例中有已就绪的文件描述符之后才解除阻塞
函数返回值：
- 成功：
  - 等于 0：函数是阻塞被强制解除了，没有检测到满足条件的文件描述符
  - 大于 0：检测到的已就绪的文件描述符的总个数
- 失败：返回 - 1

基于epoll的回声服务器代码如下：

c 复制代码

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

#define BUF_SIZE 100
#define EPOLL_SIZE 50
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 adr_sz;
    int str_len, i;
    char buf[BUF_SIZE];

    struct epoll_event *ep_events;
    struct epoll_event event;
    int epfd, event_cnt;

    if (argc != 2) {
        printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    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]));

    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1) {
        error_handling("bind() error");
    }

    if (listen(serv_sock, 5) == -1) {
        error_handling("listen() error");
    }

    // 创建一个epoll例程,返回一个文件描述符
    epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE);
    ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) * EPOLL_SIZE);

    event.events = EPOLLIN;
    event.data.fd = serv_sock;
    // 在epoll例程内部注册监视对象文件描述符
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event);

    while (1) {
        event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1);
        if (event_cnt == -1) {
            puts("epoll_wait() error");
            break;
        }

        for (i = 0; i < event_cnt; i++) {
            if (ep_events[i].data.fd == serv_sock) {
                adr_sz = sizeof(clnt_adr);
                clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &adr_sz);
                event.events = EPOLLIN;
                event.data.fd = clnt_sock;
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clnt_sock, &event);
                printf("connected client: %d \n", clnt_sock);
            }
            else {
                str_len = read(ep_events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE);
                if (str_len == 0) {
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL);
                    close(ep_events[i].data.fd);
                    printf("closed client: %d\n", ep_events[i].data.fd);
                }
                else {
                    write(ep_events[i].data.fd, buf, str_len);
                }
            }
        }

    }
    close(serv_sock);
    close(epfd);
    return 0;
}

void error_handling(char *message) {
    fputs(message, stderr);
    fputs("\n", stderr);
    exit(1);
}