学习使用epoll

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linux

epoll linux

epoll是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本，它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。

一、epoll的优点

支持一个进程打开大数目的socket描述符。

IO效率不随FD数目增加而线性下降。

二、epoll的使用

epoll有2种工作方式：LT和ET。　　

LT（level triggered，水平触发）是缺省的工作方式，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，边缘触发）是高速工作方式，只支持no-block socket。在这种模式下，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）。

epoll相关的系统调用有3个：epoll_create, epoll_ctl和epoll_wait。在头文件<sys/epoll.h>

1. int epoll_create(int size);

创建一个epoll句柄，即图中的epfd, 用来监听事件, 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，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. int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

参数op是操作类型, 使用这个方法完成3种操作:　

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；

(1) 注册新事件

struct epoll_event ev;
ev.data.fd = fd;
ev.events = EPOLLIN;
epoll_cntl(epfd, EPOOL_CTL_ADD, fd, &ev);

(2) 修改监听事件

struct epoll_event *a_event = get_a_event() 
struct epoll_event ev;
ev.data.fd = a_event->data.fd;
ev.events = a_event->events | EPOLLOUT;
epoll_cntl(epfd, EPOOL_CTL_MOD, a_event->data.fd, &ev);

(3) 删除事件

struct epoll_event *a_event = get_a_event() 
struct epoll_event ev;
ev.data.fd = a_event->data.fd;
epoll_cntl(epfd, EPOOL_CTL_DEL, a_event->data.fd, &ev);

3种操作都使用了一个ev变量, 这个变量用来关联fd和它的监听事件, 是临时的, 可以反复使用.

ev是一个struct epoll_event结构体, 结构如下：

typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
__uint32_t u32;
__uint64_t u64;
} epoll_data_t;
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。

注意多个socket可以设置不同的触发模式
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. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

等待事件的产生, 把产生的事件存放到events数组里, 如图中所示, 调用epoll_wait后,

fd 1和 fd 3和fd k产生了事件, 把它们分别存放到events[0], events[1], events[2]
参数epfd：epoll_create()函数返回的epoll句柄。

参数events：struct epoll_event结构指针，用来从内核得到事件的集合。

参数 maxevents：告诉内核这个events有多大

参数 timeout: 等待时的超时时间，以毫秒为单位。

返回值：成功时，返回需要处理的事件数目。调用失败时，返回0，表示等待超时。

三 epoll实例 -- 模拟HTTP服务器

#include <sys/socket.h>
#include <sys/wait.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/sendfile.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h> 

#define MAX_EVENTS 10
#define PORT 8080

//设置socket连接为非阻塞模式
void setnonblocking(int sockfd) {
    int opts;

    opts = fcntl(sockfd, F_GETFL);
    if(opts < 0) {
        perror("fcntl(F_GETFL)\n");
        exit(1);
    }
    opts = (opts | O_NONBLOCK);
    if(fcntl(sockfd, F_SETFL, opts) < 0) {
        perror("fcntl(F_SETFL)\n");
        exit(1);
    }
}

int main(){
    struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];
    int addrlen, listenfd, conn_sock, nfds, epfd, fd, i, nread, n;
    struct sockaddr_in local, remote;
    char buf[BUFSIZ];

    //创建listen socket
    if( (listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("sockfd\n");
        exit(1);
    }
    bzero(&local, sizeof(local));
    local.sin_family = AF_INET;
    local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);;
    local.sin_port = htons(PORT);
    if( bind(listenfd, (struct sockaddr *) &local, sizeof(local)) < 0) {
        perror("bind\n");
        exit(1);
    }
    listen(listenfd, 20);

    epfd = epoll_create(MAX_EVENTS);
    if (epfd == -1) {
        perror("epoll_create");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = listenfd;
    if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev) == -1) {
        perror("epoll_ctl: listen_sock");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    for (;;) {
        nfds = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1);
        if (nfds == -1) {
            perror("epoll_pwait");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        for (i = 0; i < nfds; ++i) {
            fd = events[i].data.fd;
            if (fd == listenfd) {
                conn_sock = accept(listenfd,
                        (struct sockaddr *) &remote, &addrlen);
                if (conn_sock == -1) {
                    perror("accept");
                    exit(EXIT_FAILURE);
                }
                setnonblocking(conn_sock);
                ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
                ev.data.fd = conn_sock;
                if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, conn_sock,
                            &ev) == -1) {
                    perror("epoll_ctl: add");
                    exit(EXIT_FAILURE);
                }
                continue;
            }  
            if (events[i].events & EPOLLIN) {
                n = 0;
                while ((nread = read(fd, buf + n, BUFSIZ-1)) > 0) {
                    n += nread;
                }
                buf[n] = '\0';

                ev.data.fd = fd;
                ev.events = events[i].events | EPOLLOUT;
                if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev) == -1) {
                    perror("epoll_ctl: mod");
                }
            }
            if (events[i].events & EPOLLOUT) {
                sprintf(buf, "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Length: %d\r\n\r\nHello World", 11);
                n = strlen(buf);
                if (write(fd, buf, n) < n) {
                    perror("write");
                }
                close(fd);
            }
        }
    }

    return 0;
}

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