epoll的应用方式

最新推荐文章于 2024-10-27 10:20:41 发布

风云来

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epoll是Linux下多路复用IO接口，相比select和poll更高效，尤其在大量并发连接中。epoll支持Edge Triggered(ET)和Level Triggered(LT)两种工作模式，ET模式适合高速场景但错误率较高，LT模式则相对稳健。epoll通过epoll_create、epoll_ctl和epoll_wait等接口管理事件，适用于高性能网络服务器的开发。

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1、epoll介绍

在linux网络编程中，很长时间使用select做事件触发。select会随着监听fd的数目的增长而降低效率，因为在实现中，它是采用轮询的方式处理的，轮询的fd数目越多，自然耗时就越多。对于IM服务器要支持上万个链接，就显得力不从心了。而且fd支持数目是有限的，在linux/posix/_types.h头文件中，有这样的声明：#defind __FD_SETSIZE 1024.

epoll是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本，epoll支持的最大链接数是最大可打开的文件的数目。epoll只对活跃的socket进行操作——这是因为epoll是根据每个fd上面的callback函数实现的。那么，只有活跃的socket才会主动地调用callback函数。在一个高速的LAN环境，如果几乎所有的socket都是活跃的，epoll的效率比select会稍微有下降。

epoll优点

能显著减少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：

1）因为它不会复用文件描述符集合来传递结果而迫使开发者每次等待事件之前都必须重新准备要被侦听的文件描述符集合

2）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事件的电平触发（Level Triggered）外，还提供了边沿触发（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。

mmap加速内核与用户空间的消息传递：

无论select，poll都需要内核把FD消息通知给用户空间，如何避免不必要的内存拷贝，在这点上epoll通过内核与用户空间mmap同一块内存空间实现的。

支持一个进程打开大数目的socket描述符（只有内存限制）
IO效率不随FD数目增加而线性下降
内核微调

2、epoll与select/poll事件触发机制区别

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。因为在内核中的select实现中，它是采用轮询来处理的，轮询的fd数目越多，自然耗时越多。并且，linux/posix_types.h头文件有这样的声明：

#define __FD_SETSIZE 1024

表示select最多同时监听1024个fd，当然，可以通过修改头文件再重编译内核来扩大这个数目（但是效率上只是可能下降）。
在许多测试中,如果没有大量的空闲连接和死连接，epoll的效率并不会比select/poll高很多，但是当我们遇到大量的空闲连接(例如WAN环境中存在大量的慢速连接)，就会发现epoll的效率大大高于select/poll。

3、EPOLL工作模式

EPOLL的事件有两种模型：
Edge Triggered (ET) //高速工作方式，错误率比较大，只支持no_block socket
Level Triggered (LT) //缺省工作方式，即默认的工作方式,支持block socket和no_block socket，错误率比较小。

LT(level triggered)是缺省的工作方式，并且同时支持block和no-block socket。

没有对就绪的fd进行IO操作，内核会不断的通知:在这种做法中，内核告诉你一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。

ET(edge-triggered)是高速工作方式，只支持no-block socket。

没有对就绪的fd进行IO操作，内核不会再进行通知:当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了(比如，你在发送，接收或者接收请求，或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK 错误）。但是请注意，如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪)，内核不会发送更多的通知(only once),不过在TCP协议中，ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark确认。

假如有这样一个例子：(LT方式，即默认方式下，内核会继续通知，可以读数据，ET方式，内部不会再通知，可以读数据)
1. 我们已经把一个用来从管道中读取数据的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符
2. 这个时候从管道的另一端被写入了2KB的数据
3. 调用epoll_wait(2)，并且它会返回RFD，说明它已经准备好读取操作
4. 然后我们读取了1KB的数据
5. 调用epoll_wait(2)......

（1）Edge Triggered 工作模式

如果我们在第1步将RFD添加到epoll描述符的时候使用了EPOLLET标志，那么在第5步调用epoll_wait(2)之后，因为剩余的数据还存在于文件的输入缓冲区内，需要一个反馈信息。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。因此在第5步的时候，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。在上面的例子中，会有一个事件产生在RFD句柄上，因为在第2步执行了一个写操作，然后，事件将会在第3步被销毁。因为第4步的读取操作没有读空文件输入缓冲区内的数据，因此我们在第5步调用 epoll_wait(2)完成后，是否挂起是不确定的。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
1) 基于非阻塞文件句柄
2) 只有当read()或者write()返回EAGAIN时才需要挂起，等待。

（2）Level Triggered 工作模式

以LT方式调用epoll接口的时候，它就相当于一个速度比较快的poll，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。因为即使使用ET模式的epoll，在收到多个chunk的数据的时候仍然会产生多个事件。调用者可以设定EPOLLONESHOT标志，在 epoll_wait收到事件后epoll会与事件关联的文件句柄从epoll描述符中禁止掉。因此当EPOLLONESHOT设定后，使用带有 EPOLL_CTL_MOD标志的epoll_ctl处理文件句柄就成为调用者必须作的事情。

4、epoll的接口函数

（1）epoll_create

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）epoll_ctl

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，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件，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）epoll_wait

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。

5、简单框架模式

1）创建epoll句柄

通过epoll_create(int maxfds)来创建一个epoll的句柄，其中maxfds为你epoll所支持的最大句柄数。

这个函数会返回一个新的epoll句柄，之后的所有操作将通过这个句柄来进行操作。在用完之后，记得用close()来关闭这个创建出来的epoll句柄。
2）检查注册了的socket的事件

在你的网络主循环里面，每一帧的调用epoll_wait(int epfd, epoll_event* events, int max events, int timeout)来查询所有的网络接口，看哪一个可以读，哪一个可以写了。

如代码：nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1);
其中kdpfd为用epoll_create创建之后的句柄，events是一个epoll_event*的指针，当epoll_wait这个函数操作成功之后， events里面将储存所有的读写事件。max_events是当前需要监听的所有socket句柄数。最后一个timeout是 epoll_wait的超时，为0的时候表示马上返回，为-1的时候表示一直等下去，直到有事件范围，为任意正整数的时候表示等这么长的时间，如果一直没有事件，则返回。一般如果网络主循环是单独的线程的话，可以用-1来等，这样可以保证一些效率，如果是和主逻辑在同一个线程的话，则可以用0来保证主循环的效率。
3）事件处理

循环遍历所有的事件并处理。
代码如下：

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>

using namespace std;

#define MAXLINE 5
#define OPEN_MAX 100
#define LISTENQ 20
#define SERV_PORT 5000
#define INFTIM 1000

void setnonblocking(int sock)
{
  int opts;
  opts=fcntl(sock,F_GETFL);
  if(opts<0)
  {
    perror("fcntl(sock,GETFL)");
    exit(1);
  }
  opts = opts|O_NONBLOCK;
  if(fcntl(sock,F_SETFL,opts)<0)
  {
    perror("fcntl(sock,SETFL,opts)");
    exit(1);
  }
}

int main(int argc, char* argv[])
{
  int i, maxi, listenfd, connfd, sockfd,epfd,nfds, portnumber;
  ssize_t n;
  char line[MAXLINE];
  socklen_t clilen;

  if ( 2 == argc )
  {
    if( (portnumber = atoi(argv[1])) < 0 )
    {
      fprintf(stderr,"Usage:%s portnumber/a/n",argv[0]);
      return 1;
    }
  }
  else
  {
    fprintf(stderr,"Usage:%s portnumber/a/n",argv[0]);
    return 1;
  }

  //声明epoll_event结构体的变量,ev用于注册事件,数组用于回传要处理的事件

  struct epoll_event ev,events[20];
  
  //生成用于处理accept的epoll专用的文件描述符
  epfd=epoll_create(256);
  struct sockaddr_in clientaddr;
  struct sockaddr_in serveraddr;
  
  listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  //把socket设置为非阻塞方式
  setnonblocking(listenfd);

  //设置与要处理的事件相关的文件描述符
  ev.data.fd=listenfd;
  //设置要处理的事件类型

  ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
  //ev.events=EPOLLIN;

  //注册epoll事件
  epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);
  //绑定地址
  bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr));
  serveraddr.sin_family = AF_INET;
  char *local_addr="127.0.0.1";
  inet_aton(local_addr,&(serveraddr.sin_addr)); 
  serveraddr.sin_port = htons(portnumber);
  bind(listenfd,(sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr));
  //监听socket
  listen(listenfd, LISTENQ);
  maxi = 0;
  for (;;) 
  {
    //等待epoll事件的发生
    nfds=epoll_wait(epfd,events,20,500);
    //处理所发生的所有事件
    for(i=0;i<nfds;++i)
    {
	  //如果新监测到一个SOCKET用户连接到了绑定的SOCKET端口，建立新的连接。
      if(events[i].data.fd==listenfd)
      {
        connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen);
        if(connfd<0){
          perror("connfd<0");
          exit(1);
        }
        //setnonblocking(connfd);

        char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr);
        cout << "accapt a connection from " << str << endl;
        //设置用于读操作的文件描述符

        ev.data.fd=connfd;
        //设置用于注测的读操作事件

        ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
        //ev.events=EPOLLIN;

        //注册ev
        epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev);
      }
	  //如果是已经连接的用户，并且收到数据，那么进行读入。
      else if(events[i].events&EPOLLIN)
      {
	    //跳过无效描述符
        if ((sockfd = events[i].data.fd) < 0)
            continue;
		//接收出错
        if ((n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0)
        {
		  //对端重置关闭
          if (errno == ECONNRESET)
          {
            close(sockfd);
            events[i].data.fd = -1;
          }
          else std::cout<<"readline error"<<std::endl; 
          continue;
        } 
        else if (n == 0) 
        {
          close(sockfd);//对端重置关闭
          events[i].data.fd = -1;
          continue;
        }
        line[n] = '\0';
        //理论上，边缘触发的需要一直读取，直到读取失败，并检查失败原因（为EWOULDBLOCK||EAGAIN时,表示当前缓冲区暂时没有数据可读 ，此时才能不继续读）
		//否则就可能数据丢失。这里展示的是简单的框架用法
        cout << "read " << line << endl;
        //设置用于写操作的文件描述符
        ev.data.fd=sockfd;
        //设置用于注测的写操作事件
        ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET;
        //触发sockfd上EPOLLOUT事件
        epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);
      }
      else if(events[i].events&EPOLLOUT) // 如果有数据发送
      {
        sockfd = events[i].data.fd;
        write(sockfd, line, n);
        
        //设置用于读操作的文件描述符
        ev.data.fd=sockfd;
        //设置用于注测的读操作事件
        ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
        //修改sockfd上要处理的事件为EPOLIN
        epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);
      }
    }
  }
  return 0;
}

6、socket数据发送和接收的完整处理方式

epoll监听下的socket数据发送和接收的完整处理方式如下

(1)接收连接

recv和send的时候缓冲区空和满时，errno错误是EAGAIN，则需要等待一段时间再recv或send.

例子如下：

for(;;) {
 nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1);
 for(n = 0; n < nfds; ++n)
 {
   if(events[n].data.fd == listener) //监听socket的事件
   {//监听新的连接
     client = accept(listener, (struct sockaddr *)&local,&addrlen);
     if(client < 0)
     {
         perror("accept");
         continue;
     }
     setnonblocking(client);
     ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
     ev.data.fd = client;
     if (epoll_ctl(kdpfd, EPOLL_CTL_ADD, client, &ev) < 0) //注册epoll事件到epoll描述符
     {
       fprintf(stderr, "epoll set insertion error: fd=%d\n",client);
       return -1;
     }
   }
   else
   	do_use_fd(events[n].data.fd);
 }
}

（2）接收事件处理

（2-1）ET模式

当使用epoll的ET模型来工作时，当产生了一个EPOLLIN事件后，读数据的时候需要考虑的是当recv()返回的大小如果等于请求的大小，那么很有可能是缓冲区还有数据未读完，也意味着该次事件还没有处理完，所以还需要再次读取.

代码如下：

while(rs) //ET模型
{
  buflen = recv(activeevents[i].data.fd, buf, sizeof(buf), 0);// 非阻塞接收
  if(buflen < 0)
  {//接收出错
    /*
	 当errno为EINT表示被中断      (可以继续读，或者等epoll或select的后续事件通知)
	 errno为EWOULDBLOCK||EAGAIN时,表示当前缓冲区暂时没有数据可读    (可以继续读，或者等epoll或select的后续通知)
	*/
	if(errno == EAGAIN || errno == EINT || errno == EWOULDBLOCK)
	{                                             
	     //方法一:使读进程阻塞在这里，不断的读，直到有数据。（这种是优先读数据）
	     usleep(1000);
	     continue;                                   
	     //方法二:暂时读不到，先不读了，等待下一个读事件的通知。当有数据到达时，epoll和select还会被触发，再读数据。（这种是优先处理数据）
	     break;                                      
	}
	else  return;//真的失败了，应该关闭链接
  }
  else if(buflen == 0)
  {
	/*
	这里表示对端的socket已正常关闭，这里也应该关闭close(activeevents[i].data.fd)，
	并从select中删除，如果是epoll，系统会自己删除对fd的监听。
	*/
	close(activeevents[i].data.fd);
  }
  if(buflen == sizeof(buf)
    rs = 1; // 需要再次读取，但是之前的buf中数据已经存满，需要处理的。
  else
    rs = 0; //读到的数据小于请求的长度，表示缓冲区没有数据可读。不需要再次读取
}

并不是每次read()时都需要循环读，直到读到产生一个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，也就可以认为此事读事件已处理完成。

对实时性较高的应用，建议使用第二种方式。

（2-2）EL模式

由于在socket接收缓冲区有数据的情况下会一直通知，所以直接等待下次事件，然后继续接收数据就可以。

（3）发送事件处理

假如发送端流量大于接收端的流量(意思是epoll所在的程序读比写的socket要快),由于是非阻塞的socket,那么send()函数虽然返回,但实际缓冲区的数据并未真正发给接收端,这样不断的读和发，当缓冲区满后会产生EAGAIN错误,同时,不理会这次请求发送的数据.

所以,需要封装socket_send()的函数用来处理这种情况,该函数会尽量将数据写完再返回，返回-1表示出错。在socket_send()内部,当写缓冲已满(send()返回-1,且errno为EAGAIN),可以等待后再重试，或者等待下次事件

ssize_t socket_send(int sockfd, const char* buffer, size_t buflen)
{
	ssize_t tmp;
	size_t total = buflen;
	const char *p = buffer;
	
	while(1)
	{
	  tmp = send(sockfd, p, total, 0);
	  if(tmp < 0)
	  {
	    /*
	       EINTR    表示当send时，收到中断信号。（可以等待后继续写，或者等待后续epoll和select的通知，再写。）
	       EAGAIN   表示当send时，写缓冲队列已满。（可以等待后继续写，或者等待后续epoll和select的通知，再写。）
	   */
	    if(errno == EINTR || errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)
	    {
        方法一、
        usleep(1000);
        continue;   //继续写，这里会造成当前进程暂时阻塞在这里
        方法二、
        break;     //等待select和epoll的后续通知，再写。
	    }
	    return -1;
	  }
	
	  if((size_t)tmp == total)//发送完整结束
	    return buflen;
	
	  total -= tmp;//没发送完，则继续
	  p += tmp;
	}
	return buflen - total;//实际发送字节数
}

对实时性较高的应用，建议使用第二种方式。