UNIX環境高級編程：epoll函數使用詳解

epoll - I/O event notification facility

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  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：

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。

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：

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。

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。

關於ET、LT兩種工作模式：

可以得出這樣的結論:

ET模式僅當狀態發生變化的時候才獲得通知,這裡所謂的狀態的變化並不包括緩沖區中還有未處理的數據,也就是說,如果要采用ET模式,需要一直read/write直到出錯為止,很多人反映為什麼采用ET模式只接收了一部分數據就再也得不到通知了,大多因為這樣;而LT模式是只要有數據沒有處理就會一直通知下去的.

那麼究竟如何來使用epoll呢？其實非常簡單。

通過在包含一個頭文件#include <sys/epoll.h> 以及幾個簡單的API將可以大大的提高你的網絡服務器的支持人數。

首先通過create_epoll(int maxfds)來創建一個epoll的句柄，其中maxfds為你epoll所支持的最大句柄數。這個函數會返回一個新的epoll句柄，之後的所有操作將通過這個句柄來進行操作。在用完之後，記得用close()來關閉這個創建出來的epoll句柄。

之後在你的網絡主循環裡面，每一幀的調用epoll_wait(int epfd, epoll_event events, int max events, int timeout)來查詢所有的網絡接口，看哪一個可以讀，哪一個可以寫了。基本的語法為：

nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1);

其中kdpfd為用epoll_create創建之後的句柄，events是一個epoll_event*的指針，當epoll_wait這個函數操作成功之後，epoll_events裡面將儲存所有的讀寫事件。max_events是當前需要監聽的所有socket句柄數。最後一個timeout是 epoll_wait的超時，為0的時候表示馬上返回，為-1的時候表示一直等下去，直到有事件范圍，為任意正整數的時候表示等這麼長的時間，如果一直沒有事件，則范圍。一般如果網絡主循環是單獨的線程的話，可以用-1來等，這樣可以保證一些效率，如果是和主邏輯在同一個線程的話，則可以用0來保證主循環的效率。

epoll_wait范圍之後應該是一個循環，遍利所有的事件。

幾乎所有的epoll程序都使用下面的框架：

for( ; ; )  
 {  
     nfds = epoll_wait(epfd,events,20,500);  
     for(i=0;i<nfds;++i)  
     {  
         if(events[i].data.fd==listenfd) //有新的連接  
         {  
             connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen); //accept這個連接  
             ev.data.fd=connfd;  
             ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;  
             epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev); //將新的fd添加到epoll的監聽隊列中  
         }  
         else if( events[i].events&EPOLLIN ) //接收到數據，讀socket  
         {  
             n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0    //讀  
             ev.data.ptr = md;     //md為自定義類型，添加數據  
             ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET;  
             epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);//修改標識符，等待下一個循環時發送數據，異步處理的精髓  
         }  
         else if(events[i].events&EPOLLOUT) //有數據待發送，寫socket  
         {  
             struct myepoll_data* md = (myepoll_data*)events[i].data.ptr;    //取數據  
             sockfd = md->fd;  
             send( sockfd, md->ptr, strlen((char*)md->ptr), 0 );        //發送數據  
             ev.data.fd=sockfd;  
             ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;  
             epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev); //修改標識符，等待下一個循環時接收數據  
         }  
         else
         {  
             //其他的處理  
         }  
     }  
 }

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下面給出一個完整的服務器端例子：

#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;  
    }  
      
      
      
    //聲明epoll_event結構體的變量,ev用於注冊事件,數組用於回傳要處理的事件  
      
    struct epoll_event ev,events[20];  
    //生成用於處理accept的epoll專用的文件描述符  
      
    epfd=epoll_create(256);  
    struct sockaddr_in clientaddr;  
    struct sockaddr_in serveraddr;  
    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
    //把socket設置為非阻塞方式  
      
    //setnonblocking(listenfd);  
      
    //設置與要處理的事件相關的文件描述符  
      
    ev.data.fd=listenfd;  
    //設置要處理的事件類型  
      
    ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;  
    //ev.events=EPOLLIN;  
      
    //注冊epoll事件  
      
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);  
    bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr));  
    serveraddr.sin_family = AF_INET;  
    char *local_addr="127.0.0.1";  
    inet_aton(local_addr,&(serveraddr.sin_addr));//htons(portnumber);  
      
    serveraddr.sin_port=htons(portnumber);  
    bind(listenfd,(sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr));  
    listen(listenfd, LISTENQ);  
    maxi = 0;  
    for ( ; ; ) {  
        //等待epoll事件的發生  
      
        nfds=epoll_wait(epfd,events,20,500);  
        //處理所發生的所有事件  
      
        for(i=0;i<nfds;++i)  
        {  
            if(events[i].data.fd==listenfd)//如果新監測到一個SOCKET用戶連接到了綁定的SOCKET端口，建立新的連接。  
      
            {  
                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;  
                //設置用於讀操作的文件描述符  
      
                ev.data.fd=connfd;  
                //設置用於注測的讀操作事件  
      
                ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;  
                //ev.events=EPOLLIN;  
      
                //注冊ev  
      
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev);  
            }  
            else if(events[i].events&EPOLLIN)//如果是已經連接的用戶，並且收到數據，那麼進行讀入。  
      
            {  
                cout << "EPOLLIN" << endl;  
                if ( (sockfd = events[i].data.fd) < 0)  
                    continue;  
                if ( (n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0) {  
                    if (errno == ECONNRESET) {  
                        close(sockfd);  
                        events[i].data.fd = -1;  
                    } else
                        std::cout<<"readline error"<<std::endl;  
                } else if (n == 0) {  
                    close(sockfd);  
                    events[i].data.fd = -1;  
                }  
                line[n] = '/0';  
                cout << "read " << line << endl;  
                //設置用於寫操作的文件描述符  
      
                ev.data.fd=sockfd;  
                //設置用於注測的寫操作事件  
      
                ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET;  
                //修改sockfd上要處理的事件為EPOLLOUT  
      
                //epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);  
      
            }  
            else if(events[i].events&EPOLLOUT) // 如果有數據發送  
      
            {  
                sockfd = events[i].data.fd;  
                write(sockfd, line, n);  
                //設置用於讀操作的文件描述符  
      
                ev.data.fd=sockfd;  
                //設置用於注測的讀操作事件  
      
                ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;  
                //修改sockfd上要處理的事件為EPOLIN  
      
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);  
            }  
        }  
    }  
    return 0;  
}