linux網絡編程之socket（十三） epoll系列函數簡介與select、poll的區別

一、epoll 系列函數簡介

#include <sys/epoll.h>

int epoll_create(int size);

int epoll_create1(int flags);

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

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

      *  epoll_create(2)  creates  an epoll instance and returns a file descriptor referring to that instance.  (The more recent

 epoll_create1(2) extends the functionality of epoll_create(2).)

  *  Interest in particular file descriptors is then registered via epoll_ctl(2).  The set  of  file  descriptors  currently

 registered on an epoll instance is sometimes called an epoll set.

  *  epoll_wait(2) waits for I/O events, blocking the calling thread if no events are currently available.

1、epoll_create1 產生一個epoll 實例，返回的是實例 的句柄。flag 可以設置為0 或者EPOLL_CLOEXEC，為0時函數表現與epoll_create一致，EPOLL_CLOEXEC標志與open 時的 O_CLOEXEC 標志類似，即進程被替換時會關閉文件描述符。

2、epoll_ctl ：

（1）epfd：epoll 實例句柄；

（2）op：對文件描述符fd 的操作，主要有EPOLL_CTL_ADD、 EPOLL_CTL_DEL等；

（3）fd：需要操作的目標 文件描述符；

（4）event：結構體指針

 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 參數主要有EPOLLIN、EPOLLOUT、EPOLLET 、EPOLLLT等；一般data 共同體我們設置其成員fd即可，也就是epoll_ctl 函數的第三個參數。

3、epoll_wait：

（1）epfd：epoll 實例句柄；

（2）events：結構體指針

（3）maxevents：事件的最大個數

（4）timeout：超時時間，設為-1表示永不超時

下面我們使用c++ 來實現一個服務器端程序：

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/epoll.h>
    
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
    
#include <vector>
#include <algorithm>
    
#include "read_write.h"
#include "sysutil.h"
    
typedef std::vector<struct epoll_event> EventList;
    
/* 相比於select與poll，epoll最大的好處是不會隨著關心的fd數目的增多而降低效率 */
int main(void)
{
    int count = 0;
    int listenfd;
    if ((listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0)
        ERR_EXIT("socket");
    
    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(5188);
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    
    int on = 1;
    if (setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on)) < 0)
        ERR_EXIT("setsockopt");
    
    if (bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
        ERR_EXIT("bind");
    if (listen(listenfd, SOMAXCONN) < 0)
        ERR_EXIT("listen");
    
    std::vector<int> clients;
    int epollfd;
    epollfd = epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC); //epoll實例句柄
    
    struct epoll_event event;
    event.data.fd = listenfd;
    event.events = EPOLLIN | EPOLLET; //邊沿觸發
    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &event);
    
    EventList events(16);
    struct sockaddr_in peeraddr;
    socklen_t peerlen;
    int conn;
    int i;
    
    int nready;
    while (1)
    {
        nready = epoll_wait(epollfd, &*events.begin(), static_cast<int>(events.size()), -1);
        if (nready == -1)
        {
            if (errno == EINTR)
                continue;
    
            ERR_EXIT("epoll_wait");
        }
        if (nready == 0)
            continue;
    
        if ((size_t)nready == events.size())
            events.resize(events.size() * 2);
    
        for (i = 0; i < nready; i++)
        {
            if (events[i].data.fd == listenfd)
            {
                peerlen = sizeof(peeraddr);
                conn = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&peeraddr, &peerlen);
                if (conn == -1)
                    ERR_EXIT("accept");
    
                printf("ip=%s port=%d\n", inet_ntoa(peeraddr.sin_addr), ntohs(peeraddr.sin_port));
                printf("count = %d\n", ++count);
                clients.push_back(conn);
    
                activate_nonblock(conn);
    
                event.data.fd = conn;
                event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
                epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, conn, &event);
            }
            else if (events[i].events & EPOLLIN)
            {
                conn = events[i].data.fd;
                if (conn < 0)
                    continue;
    
                char recvbuf[1024] = {0};
                int ret = readline(conn, recvbuf, 1024);
                if (ret == -1)
                    ERR_EXIT("readline");
                if (ret == 0)
                {
                    printf("client close\n");
                    close(conn);
    
                    event = events[i];
                    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, conn, &event);
                    clients.erase(std::remove(clients.begin(), clients.end(), conn), clients.end());
                }
    
                fputs(recvbuf, stdout);
                writen(conn, recvbuf, strlen(recvbuf));
            }
    
        }
    }
    
    return 0;
}

在程序的最開始定義一個新類型EventList，內部裝著struct epoll_event 結構體的容器。

接下面的 socket,bind,listen 都跟以前說的一樣，不述。接著使用epoll_create1 創建一個epoll 實例，再來看下面四行代碼：

struct epoll_event event;

event.data.fd = listenfd;

event.events = EPOLLIN | EPOLLET; //邊沿觸 發

epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &event);

根據前面的函數分析，這四句意思就是將監 聽套接字listenfd 加入關心的套接字序列。

在epoll_wait 函數中的第二個參數，其實events.begin() 是個迭代器 ，但其具體實現也是struct epoll_event* 類型，雖然 &*events.begin() 得到的也是struct epoll_event* ，但不能 直接使用events.begin() 做參數，因為類型不匹配，編譯會出錯。

EventList events(16); 即初始化容器的大小為 16，當返回的事件個數nready 已經等於16時，需要增大容器的大小，使用events.resize 函數即可，容器可以動態增大， 這也是我們使用c++實現的其中一個原因。

當監聽套接字有可讀事件，accept 返回的conn也需要使用epoll_ctl 函 數將其加入關心的套接字隊列。

還需要調用 activate_nonblock(conn); 將conn 設置為非阻塞，man 7 epoll 裡有 這樣一句話：

An application that employs the EPOLLET flag should use nonblocking file descriptors to avoid having a  blocking  read  or

write  starve  a  task  that  is  handling multiple file descriptors.

當下次循環回來某個已連接套接字有可讀事件，則讀取數 據，若read 返回0表示對方關閉，需要使用epoll_ctl 函數將conn 從隊列中清除，我們使用 std::vector<int> clients; 來保存每次accept 返回的conn，所以現在也需要將其擦除掉，調用clients.erase() 函數。

我們可以使 用前面寫的conntest 客戶端程序測試一下，先運行服務器程序，再運行客戶端，輸出如下：

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./echoser_epoll

................................

count = 1015

ip=127.0.0.1 port=60492

count = 1016

ip=127.0.0.1 port=60493

count = 1017

ip=127.0.0.1 port=60494

count = 1018

ip=127.0.0.1 port=60495

count = 1019

accept: Too many open files

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./conntest

.........................................................

count = 1015

ip=127.0.0.1 port=60492

count = 1016

ip=127.0.0.1 port=60493

count = 1017

ip=127.0.0.1 port=60494

count = 1018

ip=127.0.0.1 port=60495

count = 1019

connect: Connection reset by peer

為什麼服務器端的 count 只有1019呢，因為除去012，一個監聽套接字還有一個epoll 實例句柄，所以1024 - 5 = 1019。

為什麼客戶 端的錯誤提示跟這裡的不一樣呢？這正說明epoll 處理效率比poll和select 都高，因為處理得快，來一個連接就accept一 個，當服務器端accept 完第1019個連接，再次accept 時會因為文件描述符總數超出限制，打印錯誤提示，而此時客戶端雖 然已經創建了第1020個sock，但在connect 過程中發現對等方已經退出了，故打印錯誤提示，連接被對等方重置。如果服務 器端處理得慢的話，那麼客戶端會connect 成功1021個連接，然後在創建第1022個sock 的時候出錯，打印錯誤提示： socket: Too many open files，當然因為文件描述符的限制，服務器端也只能從已完成連接隊列中accept 成功1019個連接 。

二、epoll與select、poll區別

1、相比於select與poll，epoll最大的好處在於它不會隨著監聽fd數目的 增長而降低效率。內核中的select與poll的實現是采用輪詢來處理的，輪詢的fd數目越多，自然耗時越多。

2、epoll的 實現是基於回調的，如果fd有期望的事件發生就通過回調函數將其加入epoll就緒隊列中,也就是說它只關心“活躍”的fd， 與fd數目無關。

3、內核 / 用戶空間 內存拷貝問題，如何讓內核把 fd消息通知給用戶空間呢？在這個問題上 select/poll采取了內存拷貝方法。而epoll采用了共享內存的方式。

4、epoll不僅會告訴應用程序有I/0 事件到來，還 會告訴應用程序相關的信息，這些信息是應用程序填充的，因此根據這些信息應用程序就能直接定位到事件，而不必遍歷整 個fd集合。

三、epoll 的EPOLLLT （電平觸發，默認）和 EPOLLET（邊沿觸發）模式的區別

1、EPOLLLT：完 全靠kernel epoll驅動，應用程序只需要處理從epoll_wait返回的fds，這些fds我們認為它們處於就緒狀態。此時epoll可 以認為是更快速的poll。

2、EPOLLET：此模式下，系統僅僅通知應用程序哪些fds變成了就緒狀態，一旦fd變成就緒 狀態，epoll將不再關注這個fd的任何狀態信息，（從epoll隊列移除）直到應用程序通過讀寫操作（非阻塞）觸發EAGAIN狀 態，epoll認為這個fd又變為空閒狀態，那麼epoll又重新關注這個fd的狀態變化（重新加入epoll隊列）。隨著epoll_wait 的返回，隊列中的fds是在減少的，所以在大並發的系統中，EPOLLET更有優勢，但是對程序員的要求也更高，因為有可能會 出現數據讀取不完整的問題，舉例如下：

假設現在對方發送了2k的數據，而我們先讀取了1k，然後這時調用了 epoll_wait，如果是邊沿觸發，那麼這個fd變成就緒狀態就會從epoll 隊列移除，很可能epoll_wait 會一直阻塞，忽略尚 未讀取的1k數據，與此同時對方還在等待著我們發送一個回復ack，表示已經接收到數據；如果是電平觸發，那麼 epoll_wait 還會檢測到可讀事件而返回，我們可以繼續讀取剩下的1k 數據。