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Linux的epoll使用基礎教程

在linux的網絡編程中,很長的時間都在使用select來做事件觸發。在linux新的內核中,有了一種替換它的機制,就是epoll。
相比於select,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。因為在內核中的select實現中,它是采用輪詢來處理的,輪詢的fd數目越多,自然耗時越多。並且,在/usr/include/linux/posix_types.h頭文件有這樣的聲明:
#define __FD_SETSIZE 1024
表示select最多同時監聽1024個fd,當然,可以通過修改頭文件再重編譯內核來擴大這個數目,但這似乎並不治本。

epoll的接口非常簡單,一共就三個函數:
1. int epoll_create(int size);
創建一個epoll的句柄,size用來告訴內核這個監聽的數目一共有多大。這個參數不同於select()中的第一個參數,給出最大監聽的fd+1的值。需要注意的是,當創建好epoll句柄後,它就是會占用一個fd值,在linux下如果查看/proc/進程id/fd/,是能夠看到這個fd的,所以在使用完epoll後,必須調用close()關閉,否則可能導致fd被耗盡。


2. int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
epoll的事件注冊函數,它不同與select()是在監聽事件時告訴內核要監聽什麼類型的事件,而是在這裡先注冊要監聽的事件類型。第一個參數是epoll_create()的返回值,第二個參數表示動作,用三個宏來表示:
EPOLL_CTL_ADD:注冊新的fd到epfd中;
EPOLL_CTL_MOD:修改已經注冊的fd的監聽事件;
EPOLL_CTL_DEL:從epfd中刪除一個fd;
第三個參數是需要監聽的fd,第四個參數是告訴內核需要監聽什麼事,struct epoll_event結構如下:
struct epoll_event {
__uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};

events可以是以下幾個宏的集合:
EPOLLIN :表示對應的文件描述符可以讀(包括對端SOCKET正常關閉);
EPOLLOUT:表示對應的文件描述符可以寫;
EPOLLPRI:表示對應的文件描述符有緊急的數據可讀(這裡應該表示有帶外數據到來);
EPOLLERR:表示對應的文件描述符發生錯誤;
EPOLLHUP:表示對應的文件描述符被掛斷;
EPOLLET: 將EPOLL設為邊緣觸發(Edge Triggered)模式,這是相對於水平觸發(Level Triggered)來說的。
EPOLLONESHOT:只監聽一次事件,當監聽完這次事件之後,如果還需要繼續監聽這個socket的話,需要再次把這個socket加入到EPOLL隊列裡


3. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
等待事件的產生,類似於select()調用。參數events用來從內核得到事件的集合,maxevents告之內核這個events有多大,這個maxevents的值不能大於創建epoll_create()時的size,參數timeout是超時時間(毫秒,0會立即返回,-1將不確定,也有說法說是永久阻塞)。該函數返回需要處理的事件數目,如返回0表示已超時。

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從man手冊中,得到ET和LT的具體描述如下

EPOLL事件有兩種模型:
Edge Triggered (ET)
Level Triggered (LT)

假如有這樣一個例子:
1. 我們已經把一個用來從管道中讀取數據的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符
2. 這個時候從管道的另一端被寫入了2KB的數據
3. 調用epoll_wait(2),並且它會返回RFD,說明它已經准備好讀取操作
4. 然後我們讀取了1KB的數據
5. 調用epoll_wait(2)......

Edge Triggered 工作模式:
如果我們在第1步將RFD添加到epoll描述符的時候使用了EPOLLET標志,那麼在第5步調用epoll_wait(2)之後將有可能會掛起,因為剩余的數據還存在於文件的輸入緩沖區內,而且數據發出端還在等待一個針對已經發出數據的反饋信息。只有在監視的文件句柄上發生了某個事件的時候 ET 工作模式才會匯報事件。因此在第5步的時候,調用者可能會放棄等待仍在存在於文件輸入緩沖區內的剩余數據。在上面的例子中,會有一個事件產生在RFD句柄上,因為在第2步執行了一個寫操作,然後,事件將會在第3步被銷毀。因為第4步的讀取操作沒有讀空文件輸入緩沖區內的數據,因此我們在第5步調用 epoll_wait(2)完成後,是否掛起是不確定的。epoll工作在ET模式的時候,必須使用非阻塞套接口,以避免由於一個文件句柄的阻塞讀/阻塞寫操作把處理多個文件描述符的任務餓死。最好以下面的方式調用ET模式的epoll接口,在後面會介紹避免可能的缺陷。
i 基於非阻塞文件句柄
ii 只有當read(2)或者write(2)返回EAGAIN時才需要掛起,等待。但這並不是說每次read()時都需要循環讀,直到讀到產生一個EAGAIN才認為此次事件處理完成,當read()返回的讀到的數據長度小於請求的數據長度時,就可以確定此時緩沖中已沒有數據了,也就可以認為此事讀事件已處理完成。

Level Triggered 工作模式
相反的,以LT方式調用epoll接口的時候,它就相當於一個速度比較快的poll(2),並且無論後面的數據是否被使用,因此他們具有同樣的職能。因為即使使用ET模式的epoll,在收到多個chunk的數據的時候仍然會產生多個事件。調用者可以設定EPOLLONESHOT標志,在 epoll_wait(2)收到事件後epoll會與事件關聯的文件句柄從epoll描述符中禁止掉。因此當EPOLLONESHOT設定後,使用帶有 EPOLL_CTL_MOD標志的epoll_ctl(2)處理文件句柄就成為調用者必須作的事情。


然後詳細解釋ET, LT:

LT(level triggered)是缺省的工作方式,並且同時支持block和no-block socket.在這種做法中,內核告訴你一個文件描述符是否就緒了,然後你可以對這個就緒的fd進行IO操作。如果你不作任何操作,內核還是會繼續通知你的,所以,這種模式編程出錯誤可能性要小一點。傳統的select/poll都是這種模型的代表.

ET(edge-triggered)是高速工作方式,只支持no-block socket。在這種模式下,當描述符從未就緒變為就緒時,內核通過epoll告訴你。然後它會假設你知道文件描述符已經就緒,並且不會再為那個文件描述符發送更多的就緒通知,直到你做了某些操作導致那個文件描述符不再為就緒狀態了(比如,你在發送,接收或者接收請求,或者發送接收的數據少於一定量時導致了一個EWOULDBLOCK 錯誤)。但是請注意,如果一直不對這個fd作IO操作(從而導致它再次變成未就緒),內核不會發送更多的通知(only once),不過在TCP協議中,ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark確認(這句話不理解)。

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