【在Linux世界中追寻伟大的One Piece】多路转接epoll

1 -> I/O多路转接之poll

1.1 -> poll函数接口

#include <poll.h>

int poll(struct pollfd* fds, nfds_t nfds, int timeout);

// pollfd 结构
struct pollfd 
{
    int fd; /* file descriptor */
    short events; /* requested events */
    short revents; /* returned events */
};

参数说明：

• fds是一个poll函数监听的结构列表。每一个元素中，包含了三部分内容：文件描述符，监听的事件集合，返回的事件集合。
• nfds表示fds数组的长度。
• timeout表示poll函数的超时时间，单位是毫秒(ms)。

events和revents的取值：
*事件描述是否可作为输入是否可作为输出POLLIN数据(包括普通数据和优先数据)可读是是POLLRDNORM普通数据可读是是POLLRDBAND*优先级带数据可读(Linux不支持)是是*POLLPRI高优先级数据可读，比如TCP带外数据是是POLLOUT数据(包括普通数据和优先数据)可写是是POLLWRNORM普通数据可写是是POLLWRBAND优先级带数据可写是*
是
POLLRDHUPTCP连接被对方关闭，或者对方关闭了写操作。它由GNU引入是是POLLERR错误否
是
POLLHUP挂起。比如管道的写端被关闭后，读端描述符上将收到POLLHUP事件否是POLLNVAL文件描述符没有打开否****是
返回结果：

• 返回值小于0，表示出错。
• 返回值等于0，表示poll函数等待超时。
• 返回值大于0，表示poll由于监听的文件描述符就绪而返回。

1.2 -> poll的优点

不同于select使用三个位图来表示三个fdset的方式，poll使用一个pollfd的指针实现。

• pollfd结构包含了要监视的event和发生的event，不再使用select"参数-值"传递的方式。接口使用比select更方便。
• poll并没有最大数量限制(但是数量过大后性能也是会下降)。

1.3 -> poll的缺点

poll中监听的文件描述符数目增多时：

• 和select函数一样，poll返回后，需要轮询pollfd来获取就绪的描述符。
• 每次调用poll都需要把大量的pollfd结构从用户态拷贝到内核中。
• 同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的处于就绪状态，因此随着监视的描述符数量的增长，其效率也会线性下降。

1.4 -> poll示例

1.4.1 -> 使用poll监控标准输入

#include <poll.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() 
{
    struct pollfd poll_fd;

    poll_fd.fd = 0;
    poll_fd.events = POLLIN;
    for (;;) 
    {
        int ret = poll(&poll_fd, 1, 1000);
        if (ret < 0) 
        {
            perror("poll");
            continue;
        }

        if (ret == 0) 
        {
            printf("poll timeout\n");
            continue;
        }

        if (poll_fd.revents == POLLIN) 
        {
            char buf[1024] = { 0 };
            read(0, buf, sizeof(buf) - 1);

            printf("stdin:%s", buf);
        }
    }
}

2 -> I/O多路转接之epoll

2.1 -> 初识epoll

epoll是Linux内核中提供的一种高效的IO多路复用机制，它专为处理大量文件描述符而设计。相比于传统的select和poll机制，epoll在存在大量并发连接且只有少数连接活跃时，能够显著提高系统的CPU利用率。epoll的关键优势在于它在获取就绪事件时，不会遍历所有被监听的文件描述符集，而是只会遍历那些被设备IO事件异步唤醒（通过CPU中断机制）而加入就绪链表的文件描述符集。

按照man手册的说法：是为处理大批量句柄而作了改进的poll。

它是在2.5.44内核中被引进的(epoll(4)is a new API introduced in Linux kernel 2.5.44)它几乎具备了之前所说的一切优点，被公认为Linux2.6下性能最好的多路I/O就绪通知方法。

2.2 -> epoll的相关系统调用

2.2.1 -> epoll_create

int epoll_create(int size);

创建一个epoll的句柄。

• 自从linux2.6.8之后，size参数是被忽略的。
• 用完之后，必须调用close()关闭。

2.2.2 -> epoll_ctl

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

epoll的事件注册函数。

它不同于select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件，而是在这里先注册要监听的事件类型。

• 第一个参数是epoll_create()的返回值(epoll 的句柄)。
• 第二个参数表示动作，用三个宏来表示。
• 第三个参数是需要监听的fd。
• 第四个参数是告诉内核需要监听什么事。

第二个参数的取值：

• 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。

struct epoll_event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
}_EPOLL_PACKED;

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。
• 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。

2.2.3 -> epoll_wait

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

收集在epoll监控的事件中已经发送的事件。

• 参数events是分配好的epoll_event结构体数组。
• epoll将会把发生的事件赋值到events数组中(events不可以是空指针，内核只负责把数据复制到这个events数组中，不会去帮助我们在用户态中分配内存)。
• maxevents告之内核这个events有多大，这个maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size。
• 参数timeout是超时时间(毫秒，0会立即返回，-1是永久阻塞)。
• 如果函数调用成功，返回对应I/O上已准备好的文件描述符数目，如返回0表示已超时, 返回小于0表示函数失败。

2.3 -> epoll工作原理

当某一进程调用epoll_create方法时，Linux内核会创建一个eventpoll结构体，这个结构体中有两个成员与epoll的使用方式密切相关。

struct eventpoll 
{
    /*红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到 epoll 中的需要监控的事件*/
    struct rb_root rbr;

    /*双链表中则存放着将要通过 epoll_wait 返回给用户的满足条件的事件*/
    struct list_head rdlist;
};

• 每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体，用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。
• 这些事件都会挂载在红黑树中，如此，重复添加的事件就可以通过红黑树而高效的识别出来(红黑树的插入时间效率是lgn，其中n为树的高度)。
• 而所有添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系，也就是说，当响应的事件发生时会调用这个回调方法。
• 这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback，它会将发生的事件添加到rdlist双链表中。
• 在epoll中，对于每一个事件，都会建立一个epitem结构体。

struct epitem 
{
    struct rb_node rbn;//红黑树节点
    struct list_head rdllink;//双向链表节点
    struct epoll_filefd ffd; //事件句柄信息
    struct eventpoll* ep; //指向其所属的 eventpoll 对象
    struct epoll_event event; //期待发生的事件类型
}

• 当调用epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可。
• 如果rdlist不为空，则把发生的事件复制到用户态，同时将事件数量返回给用户。这个操作的时间复杂度是O(1)。

总结一下，epoll的使用过程就是三部曲：

• 调用epoll_create创建一个epoll句柄。
• 调用epoll_ctl，将要监控的文件描述符进行注册。
• 调用epoll_wait，等待文件描述符就绪。

2.4 -> epoll优点

• 接口使用方便：虽然拆分成了三个函数，但是反而使用起来更方便高效。不需要每次循环都设置关注的文件描述符，也做到了输入输出参数分离开。
• 数据拷贝轻量：只在合适的时候调用EPOLL_CTL_ADD将文件描述符结构拷贝到内核中，这个操作并不频繁(而select/poll都是每次循环都要进行拷贝)。
• 事件回调机制：避免使用遍历，而是使用回调函数的方式，将就绪的文件描述符结构加入到就绪队列中，epoll_wait返回直接访问就绪队列就知道哪些文件描述符就绪。这个操作时间复杂度O(1)。即使文件描述符数目很多，效率也不会受到影响。
• 没有数量限制：文件描述符数目无上限。

感谢各位大佬支持！！！

互三啦！！！