Linux网络编程 | I/O复用之epoll(ET模式)


前言

epoll(ET模式)以及使用方法。


提示:以下是本篇文章正文内容,下面案例可供参考

一、epoll的LT模式与ET模式

epoll 对文件描述符有两种操作模式:LT(Level Trigger,电平触发)模式和 ET(EdgeTrigger,边沿触发)模式。LT 模式是默认的工作模式。当往 epoll 内核事件表中注册一个文件描述符上的 EPOLLET 事件时,epoll 将以高效的 ET 模式来操作该文件描述符。对于 LT 模式操作的文件描述符,当epoll_wait 检测到其上有事件发生并将此事件通知应用程序后,应用程序可以不立即处理该事件。这样,当应用程序下一次调用 epoll_wait 时,还会再次向应用程序通告此事件,直到该事件被处理。对于 ET 模式操作的文件描述符,当 epoll_wait 检测到其上有事件发生并将此事件通知应用程序后,应用程序必须立即处理该事件,因为后续的 epoll_wait 调用将不再向应用程序通知这一事件。所以 ET 模式在很大程度上降低了同一个 epoll 事件被重复触发的次数,因此效率比 LT 模式高。

二、使用步骤

1.服务器端(ET)

代码如下(示例):

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/time.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include<poll.h>
#include<sys/epoll.h>
#include<fcntl.h>
#include<errno.h>

#define MAX 10

void setnonblock(int x)//设置无阻塞模式
{
    int oldfl=fcntl(x,F_GETFL);//获取文件描述符的属性
    int newfl=oldfl|O_NONBLOCK;//将文件描述符的属性加上非阻塞属性
    
    if(fcntl(x,F_SETFL,newfl)==-1)//将加上非阻塞之后的属性赋给描述符
    {
        printf("fcntl err\n");///如果失败,打印错误
    }
}
void epoll_add(int epfd,int fd)
{
    struct epoll_event ev;
    ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
    ev.data.fd=fd;

    setnonblock(fd);//将描述符的属性设置成为非阻塞模式

    if(epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev)==-1)
    {
        perror("epoll_ctl_add err\n");
    }
}

void epoll_del(int epfd,int fd)
{
    if(epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,NULL)==-1)
    {
        perror("epoll_ctl_del error");
    }
}

int main()
{
    int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    assert(sockfd!=-1);

    struct sockaddr_in saddr,caddr;
    memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
    saddr.sin_family=AF_INET;
    saddr.sin_port=htons(6000);
    saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");

    int res=bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
    assert(res!=-1);

    res=listen(sockfd,5);
    assert(res!=-1);

    int epfd=epoll_create(MAX);
    assert(epfd!=-1);

    epoll_add(epfd,sockfd);

    struct epoll_event evs[MAX]={0};
    while(1)
    {
        int n=epoll_wait(epfd,evs,MAX,5000);
        if(-1==n)
        {
            perror("epoll_wait err\n");
        }
        else if(0==n)
        {
            printf("time out\n");
        }
        else
        {
            for(int i=0;i<n;i++)
            {
                if(evs[i].events&EPOLLIN)//判断是什么事件,此程序只关注读事件,所以只判断读事件,
                {                        //若判断其他事件则继续与,例如写事件:if(evs[i]&EPOLLOUT),以此类推。
                    if(evs[i].data.fd==sockfd)
                    {
                        struct sockaddr_in caddr;
                        int len=sizeof(caddr);
                        int c=accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);
                        if(c<0)
                        {
                            continue;
                        }
                        else
                        {
                            printf("accept c=%d\n",c);
                            epoll_add(epfd,c);
                        }
                    }
                    else
                    {
                        while(1)//循环取值
                        {
                            char buff[128]={0};
                            int num=recv(evs[i].data.fd,buff,1,0);
                            if(num==-1)//判断是因为取完返回-1还是真的出错返回的-1
                            {
                                if(errno!=EAGAIN ||errno!= EWOULDBLOCK)//头文件<errno.h>中有全局变量errno
                                {                                      //出错时会修改errno的值
                                    printf("recv err\n");//这种情况是真的出错
                                    break;
                                }
                                else
                                {
                                    send(evs[i].data.fd,"ok",2,0);//这种情况是输出缓冲区的数据被取完
                                    break;
                                }
                            }
                            else if(num==0)//客户端关闭
                            {
                                epoll_del(epfd,evs[i].data.fd);
                                close(evs[i].data.fd);
                                printf("client close\n");
                                break;
                            }
                            else//num>0
                            {
                                printf("buff(%d)=%s\n",evs[i].data.fd,buff);

                            }
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }

2.客户端

代码如下(示例):

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<pthread.h>


int main()
{
    int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    assert(sockfd!=-1);

    struct sockaddr_in saddr;
    memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
    saddr.sin_family=AF_INET;
    saddr.sin_port=htons(6000);
    saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");

    int res=connect(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
    assert(res!=-1);
    char buff[128]={0};
    printf("input: \n");
    while(1)
    {
        fgets(buff,128,stdin);
        if(strncmp(buff,"end",3)==0)
        {
            break;
        }
        send(sockfd,buff,strlen(buff),0);
        memset(&buff,0,sizeof(buff));
        recv(sockfd,buff,127,0);
        printf("buff=%s\n",buff);
    }

    close(sockfd);
    exit(0);
}

总结

1.设置ev.events为ET模式。
2.文件描述符设置为非阻塞模式。
3.循环读取,返回-1时判断errno与EAGAIN | EWOULDBLOCK(满足则证明在非阻塞模式下接收缓冲区的数据被读完)。

<think>好的,我现在需要为用户介绍Linux下的epoll多路I/O复用模型。首先,用户可能已经了解过select和poll,所以需要对比说明epoll的优势。接下来,要解释epoll的三个主要函数:epoll_create、epoll_ctl、epoll_wait,以及它们的作用。 然后,需要详细说明epoll的工作模式,LT(水平触发)和ET(边缘触发)的区别,以及各自的适用场景。用户可能对这两种模式的实际应用不太清楚,所以需要举例子说明,比如在LT模式下,如果没有处理完数据,会反复通知,而ET模式则只在状态变化时通知一次,需要一次处理完所有数据。 还要提到epoll的高效性,比如使用红黑树管理文件描述符,以及就绪列表的结构,这样在处理大量连接时性能更好。同时,需要强调epoll适合高并发的场景,比如Web服务器。 可能用户对epoll的使用步骤不太清楚,需要分步骤说明:创建epoll实例、注册感兴趣的事件、等待事件发生并处理。每个步骤对应的函数和参数需要简要说明。 另外,用户可能会遇到常见问题,比如ET模式下的非阻塞IO为什么是必须的,需要解释ET模式下如果不一次读完数据,可能因为没有新事件到来而导致数据滞留。这时候需要提醒用户使用非阻塞socket,并在读取时循环读取直到EAGAIN错误。 还需要提到epoll的优点和缺点,比如优点是可扩展性好,适合大量连接,缺点是在连接数少时可能不如select和poll高效,或者实现相对复杂。 最后,给出一个简单的代码示例,帮助用户理解epoll的基本用法,比如创建epoll实例,添加监听socket,然后进入事件循环处理连接和读写事件。代码中要注意错误处理,以及ET模式的设置方法。 要确保语言通俗易懂,避免过多术语堆砌,结构清晰,分点说明。同时,检查是否有技术细节错误,比如epoll的数据结构确实是红黑树和就绪链表,函数参数是否正确等。还要注意编译时需要链接的库,比如是否需要-lrt或者其他选项。 可能还需要对比epoll与其他IO复用机制的差异,突出其优势,比如时间复杂度更低,不需要每次调用都传递全部fd集合。这样用户能更好地理解为什么epoll在大规模并发下更高效。 最后,提醒用户在实际开发中需要注意的事项,比如正确处理错误码,避免文件描述符泄漏,以及合理设置事件类型等。</think>### Linux epoll多路I/O复用模型详解 --- #### 一、核心概念对比 | 特性 | select | poll | **epoll** | |--------------------|-------------------------------------|------------------------------------|------------------------------------| | 时间复杂度 | $O(n)$ 线性扫描 | $O(n)$ 线性扫描 | $O(1)$ 事件驱动 | | 最大文件描述符数 | FD_SETSIZE(1024) | 无限制 | 系统级限制(百万级) | | 内存管理 | 每次传递完整fd_set | 动态数组 | 内核红黑树+就绪链表 | | 触发方式 | 水平触发(LT) | 水平触发(LT) | 支持LT/ET两种模式 | --- #### 二、epoll三大核心函数 1. **epoll_create** ```c int epoll_create(int size); // 创建epoll实例(size在Linux 2.6.8后已弃用) ``` - 返回:epoll文件描述符(需手动关闭) - 内核数据结构:红黑树(存储监控fd) + 就绪链表(存储活跃事件) 2. **epoll_ctl** ```c int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); ``` - 操作类型: - `EPOLL_CTL_ADD` 添加监控 - `EPOLL_CTL_MOD` 修改事件 - `EPOLL_CTL_DEL` 移除监控 - 事件结构: ```c struct epoll_event { uint32_t events; // EPOLLIN | EPOLLOUT | EPOLLETepoll_data_t data; // 用户数据(常存fd) }; ``` 3. **epoll_wait** ```c int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout); ``` - 返回:就绪事件数量 - 参数: - `events`:预分配的接收缓冲区 - `timeout`:-1阻塞 / 0立即返回 / >0毫秒超时 --- #### 三、工作模式详解 1. **水平触发(LT)** - 特性:只要fd处于就绪状态,持续通知 - 行为模式: - 读:缓冲区有未读数据时反复触发 - 写:缓冲区可写入时反复触发 - 优点:编程简单,兼容select/poll行为 - 适用场景:传统服务器开发 2. **边缘触发(ET)** - 特性:仅在fd状态变化时通知一次 - 必须配合: - 非阻塞IO(`fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK)`) - 循环读取直到`EAGAIN`错误 - 优点:减少系统调用次数,更高性能 - 适用场景:高频交易系统、高性能服务器 --- #### 四、完整代码示例 ```c #include <sys/epoll.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #define MAX_EVENTS 10 int main() { int epoll_fd = epoll_create1(0); struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS]; // 添加监听socketepoll(示例) int listen_sock = socket(...); fcntl(listen_sock, F_SETFL, O_NONBLOCK); // 非阻塞 ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; // ET模式 ev.data.fd = listen_sock; epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, listen_sock, &ev); while(1) { int n = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1); for(int i=0; i<n; i++) { if(events[i].data.fd == listen_sock) { // 处理新连接 while(1) { // 必须循环处理ET模式 int conn_fd = accept(listen_sock, ...); if(conn_fd == -1 && (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)) break; // 已无新连接 // 设置新连接为非阻塞并加入epoll监控 } } else { // 处理数据I/O(必须循环读取到EAGAIN) char buf[1024]; while(read(events[i].data.fd, buf, sizeof(buf)) > 0); } } } close(epoll_fd); } ``` --- #### 五、性能优化要点 1. **事件注册策略** - 读事件:`EPOLLIN | EPOLLRDHUP`(检测对端关闭) - 写事件:仅在需要时注册,避免频繁触发 2. **惊群问题** - 解决方案:Linux 3.9+ 使用`EPOLLEXCLUSIVE`标志 3. **内存管理** - 避免每次`epoll_wait`都动态分配事件数组 4. **超时设置** - 定时器整合:配合`timerfd`实现精确超时控制 --- #### 六、适用场景分析 | 场景 | 推荐模式 | 说明 | |---------------------|---------------|------------------------------| | HTTP服务器 | LT模式 | 简单可靠,兼容短连接 | | 实时消息推送 | ET模式 | 高频事件处理更高效 | | 文件传输服务 | ET+非阻塞IO | 大文件传输需高效处理 | | 金融交易系统 | ET+多epoll实例| 超低延迟要求,多核负载均衡 | --- #### 七、调试与监控 1. **状态查看** ```bash lsof -p [pid] | grep epoll # 查看epoll实例 cat /proc/[pid]/fdinfo/[epoll_fd] # 查看监控fd列表 ``` 2. **性能分析** ```bash perf record -e syscalls:sys_enter_epoll* # 跟踪epoll系统调用 strace -e epoll_ctl,epoll_wait ./program # 监控函数调用 ``` --- **选择建议**:在连接数大于1000的高并发场景优先选择epoll,传统场景可考虑select/poll。ET模式需要更严谨的代码设计,建议在性能关键路径使用。
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