Linux网络编程的5种IO模型(三)——多路复用Epoll

前言：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，因为它不会复用文件描述符集合来传递结果而迫使开发者每次等待事件之前都必须重新准备要被侦听的文件描述符集合，另一点原因就是获取事件的时候，它无须遍历整个被侦听的描述符集，只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符集合就行了。epoll除了提供select/poll 那种IO事件的电平触发（Level Triggered）外，还提供了边沿触发（Edge Triggered），这就使得用户空间程序有可能缓存IO状态，减少epoll_wait/epoll_pwait的调用，提高应用程序效率。

情景导入

有100万用户同时与一个进程保持着TCP连接，而每一时刻只有几十个或几百个TCP连接是活跃的(接收TCP包)，也就是说在每一时刻进程只需要处理这100万连接中的一小部分连接。那么，如何才能高效的处理这种场景呢？进程是否在每次询问操作系统收集有事件发生的TCP连接时，把这100万个连接告诉操作系统，然后由操作系统找出其中有事件发生的几百个连接呢？实际上，在Linux2.4版本以前，那时的select或者poll事件驱动方式是这样做的。

这里有个非常明显的问题，即在某一时刻，进程收集有事件的连接时，其实这100万连接中的大部分都是没有事件发生的。因此如果每次收集事件时，都把100万连接的套接字传给操作系统(这首先是用户态内存到内核态内存的大量复制)，而由操作系统内核寻找这些连接上有没有未处理的事件，将会是巨大的资源浪费，然后select和poll就是这样做的，因此它们最多只能处理几千个并发连接。而epoll不这样做，它在Linux内核中申请了一个简易的文件系统，把原先的一个select或poll调用分成了3部分

• 调用epoll_create建立一个epoll对象(在epoll文件系统中给这个句柄分配资源)；
• 调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接的套接字；
• 调用epoll_wait收集发生事件的连接。

这样只需要在进程启动时建立1个epoll对象，并在需要的时候向它添加或删除连接就可以了，因此，在实际收集事件时，epoll_wait的效率就会非常高，因为调用epoll_wait时并没有向它传递这100万个连接，内核也不需要去遍历全部的连接。

epoll_create

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);

描述：创建一个epoll对象(实际上它也是一个文件描述符)，用于添加或删除指定的连接。

参数解析：

size：想关注的文件描述符数量（用于在内核申请一片空间，用来存放你想关注的socket fd上是否发生以及发生了什么事件。）

返回值：成功返回一个epoll文件描述符。失败返回-1。

注意： epoll会占用一个fd值**，在linux下如果查看/proc/进程id/fd/，是能够看到这个fd的，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。

epoll_ctl

#include <sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);   

/* 有关的结构体 */
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 */
};

描述： 控制epoll事件，可以是注册、修改或删除一个fd

参数解析：

epfd：epoll_create 返回的对象

op：操作类型

• 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

fd：需要监听的fd

event：监听的事件

events：下面值的相或结果

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。缺省是水平触发(Level Triggered)。
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。

epoll工作模式epoll有2种工作方式：LT和ET。

• LT（level-triggered）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。如果你不作任何操作，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）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），不过在TCP协议中，ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark确认。

data：用户数据，在TCP中一般传递我们需要监听的fd

返回值：成功返回0，失败返回-1

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epoll_wait

#include <sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,int maxevents, int timeout);  

/* 有关的结构体 */
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 */
};

描述： 等待事件的产生，类似于select()调用。

epoll_wait运行的原理是：等侍注册在epfd上的socket fd的事件的发生，如果发生则将发生的sokct fd和事件类型放入到events数组中。并且将注册在epfd上的socket fd的事件类型给清空，所以如果下一个循环你还要关注这个socket fd的话，则需要epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,listenfd,&ev)来重新设置socket fd的事件类型。这时不用EPOLL_CTL_ADD,因为socket fd并未清空，只是事件类型清空。这一步非常重要。

参数解析：

epfd：epoll_create 返回的对象

events：用来从内核得到所有的读写事件（从内核返回给用户），

maxevents：告诉内核需要监听的所有的socket的句柄数（从用户传给内核），值不能大于创建epoll_create()时的size。

timeout：超时时间（毫秒，0会立即返回，-1永久等待）。

返回值：成功返回需要处理的事件数目，若已超时则返回0；失败返回-1。

epoll 使用流程

通过在包含一个头文件#include <sys/epoll.h> 以及几个简单的API将可以大大的提高你的网络服务器的支持人数。

首先通过create_epoll(int maxfds)来创建一个epoll的句柄，其中maxfds为你epoll所支持的最大句柄数。这个函数会返回一个新的epoll句柄，之后的所有操作将通过这个句柄来进行操作。在用完之后，记得用close()来关闭这个创建出来的epoll句柄。

之后在你的网络主循环里面，每一帧的调用epoll_wait(int epfd, strcuct epoll_event* events, int maxevents, int timeout)来查询所有的网络接口，看哪一个可以读，哪一个可以写了。基本的语法为：

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

其中kdpfd为用epoll_create创建之后的句柄，events是一个epoll_event*的指针，当epoll_wait这个函数操作成功之后，epoll_events里面将储存所有的读写事件。maxevents是当前需要监听的所有socket句柄数。

epoll_wait范围之后应该是一个循环，遍利所有的事件。

	//  几乎所有的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) //有新的连接
            {
    
    
                connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen); //accept这个连接
                ev.data.fd=connfd;
                ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev); //将新的fd添加到epoll的监听队列中
            }
            else if( events[i].events&EPOLLIN ) //接收到数据，读socket
            {
    
    
                n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0    //读
                ev.data.ptr = md;     //md为自定义类型，添加数据
                ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET;
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);//修改标识符，等待下一个循环时发送数据，异步处理的精髓
            }
            else if(events[i].events&EPOLLOUT) //有数据待发送，写socket
            {
    
    
                struct myepoll_data* md = (myepoll_data*)events[i].data.ptr;    //取数据
                sockfd = md->fd;
                send( sockfd, md->ptr, strlen((char*)md->ptr), 0 );        //发送数据
                ev.data.fd=sockfd;
                ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev); //修改标识符，等待下一个循环时接收数据
            }
            else
            {
    
    
                //其他的处理
            }
        }
    }

例程

使用epoll来读取设备文件

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/epoll.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    
    
    int epollfd = epoll_create(512);

    int fd_key = open("/dev/input/event1", O_RDONLY|O_NONBLOCK);
    int fd_mice = open("/dev/input/mice", O_RDONLY|O_NONBLOCK);

    struct epoll_event ev;
    ev.events = EPOLLIN; // 监控可读

    ev.data.fd = fd_key; 
    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd_key,  &ev);

    ev.data.fd = fd_mice;
    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd_mice, &ev);

    struct epoll_event evout[2];
    char buf[1024];
    while(1)
    {
    
    
        int ret = epoll_wait(epollfd, evout, 2, 5000);
        if(ret == 0) continue; // 超时
        if(ret < 0 && errno == EINTR) continue; // 被信号打断
        if(ret < 0) break; // 错误发生了

        // ret > 0情况
        int i;
        for(i=0; i<ret; ++i)
        {
    
    
            int fd = evout[i].data.fd;
            if(read(fd, buf, sizeof(buf)) < 0)
            {
    
    
                // close自动将它从epoll中移除
                close(fd); 
            }

            if(fd == fd_key) printf("键盘有消息\n");
            else if(fd == fd_mice) printf("鼠标有消息\n");
        }
    }
}

使用 epoll来实现 tcp-server

// http://www.manongjc.com/article/54633.html
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

#define IPADDRESS   "127.0.0.1"
#define PORT        12345
#define MAXSIZE     1024
#define LISTENQ     5
#define FDSIZE      1000
#define EPOLLEVENTS 100

//函数声明
//创建套接字并进行绑定
static int socket_bind(const char* ip,int port);
//IO多路复用epoll
static void do_epoll(int listenfd);
//事件处理函数
static void handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int listenfd,char *buf);
//处理接收到的连接
static void handle_accpet(int epollfd,int listenfd);
//读处理
static void do_read(int epollfd,int fd,char *buf);
//写处理
static void do_write(int epollfd,int fd,char *buf);
//添加事件
static void add_event(int epollfd,int fd,int state);
//修改事件
static void modify_event(int epollfd,int fd,int state);
//删除事件
static void delete_event(int epollfd,int fd,int state);

int main(int argc,char *argv[])
{
    
    
    int  listenfd;
    listenfd = socket_bind(IPADDRESS,PORT);  //创建套接字并进行绑定
    listen(listenfd,LISTENQ);
    do_epoll(listenfd);
    return 0;
}

static int socket_bind(const char* ip,int port)
{
    
    
    int  listenfd;
    struct sockaddr_in servaddr;
    listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if (listenfd == -1)
    {
    
    
        perror("socket error:");
        exit(1);
    }
    bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");   //指定 IP地址
    //inet_pton(AF_INET,ip,&servaddr.sin_addr);
    servaddr.sin_port = htons(port);
    if (bind(listenfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr)) == -1)
    {
    
    
        perror("bind error: ");
        exit(1);
    }
    return listenfd;
}

static void do_epoll(int listenfd)
{
    
    
    int epollfd;
    struct epoll_event events[EPOLLEVENTS];
    int ret;
    char buf[MAXSIZE];
    memset(buf,0,MAXSIZE);
    //创建一个描述符
    epollfd = epoll_create(FDSIZE);
    //添加监听描述符事件
    add_event(epollfd,listenfd,EPOLLIN);
    for ( ; ; )
    {
    
    
        //获取已经准备好的描述符事件
        ret = epoll_wait(epollfd,events,EPOLLEVENTS,-1);
        handle_events(epollfd,events,ret,listenfd,buf);
    }
    close(epollfd);
}

static void handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int listenfd,char *buf)
{
    
    
    int i;
    int fd;
    //进行选好遍历
    for (i = 0;i < num;i++)
    {
    
    
        fd = events[i].data.fd;
        //根据描述符的类型和事件类型进行处理
        if ((fd == listenfd) &&(events[i].events & EPOLLIN))
            handle_accpet(epollfd,listenfd);
        else if (events[i].events & EPOLLIN)
            do_read(epollfd,fd,buf);
        else if (events[i].events & EPOLLOUT)
            do_write(epollfd,fd,buf);
    }
}
static void handle_accpet(int epollfd,int listenfd)
{
    
    
    int clifd;
    struct sockaddr_in cliaddr;
    socklen_t  cliaddrlen;
    clifd = accept(listenfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&cliaddrlen);
    if (clifd == -1)
        perror("accpet error:");
    else
    {
    
    
        printf("accept a new client: %s:%d\n",inet_ntoa(cliaddr.sin_addr),cliaddr.sin_port);
        //添加一个客户描述符和事件
        add_event(epollfd,clifd,EPOLLIN);
    }
}

static void do_read(int epollfd,int fd,char *buf)
{
    
    
    int nread;
    nread = read(fd,buf,MAXSIZE);
    if (nread == -1)
    {
    
    
        perror("read error:");
        close(fd);
        delete_event(epollfd,fd,EPOLLIN);
    }
    else if (nread == 0)
    {
    
    
        fprintf(stderr,"client close.\n");
        close(fd);
        delete_event(epollfd,fd,EPOLLIN);
    }
    else
    {
    
    
        printf("read message is : %s",buf);
        //修改描述符对应的事件，由读改为写
        modify_event(epollfd,fd,EPOLLOUT);
    }
}

static void do_write(int epollfd,int fd,char *buf)
{
    
    
    int nwrite;
    nwrite = write(fd,buf,strlen(buf));
    if (nwrite == -1)
    {
    
    
        perror("write error:");
        close(fd);
        delete_event(epollfd,fd,EPOLLOUT);
    }
    else
        modify_event(epollfd,fd,EPOLLIN);
    memset(buf,0,MAXSIZE);
}

static void add_event(int epollfd,int fd,int state)
{
    
    
    struct epoll_event ev;
    ev.events = state;
    ev.data.fd = fd;
    epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev);
}

static void delete_event(int epollfd,int fd,int state)
{
    
    
    struct epoll_event ev;
    ev.events = state;
    ev.data.fd = fd;
    epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,&ev);
}

static void modify_event(int epollfd,int fd,int state)
{
    
    
    struct epoll_event ev;
    ev.events = state;
    ev.data.fd = fd;
    epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&ev);
}

信号驱动IO模型

在信号驱动IO模型中，当用户线程发起一个IO请求操作，会给对应的socket注册一个信号函数，然后用户线程会继续执行，当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程，用户线程接收到信号之后，便在信号函数中调用IO读写操作来进行实际的IO请求操作。这个一般用于UDP中，对TCP套接口几乎是没用的，原因是该信号产生得过于频繁，并且该信号的出现并没有告诉我们发生了什么事情

异步IO模型

异步IO模型才是最理想的IO模型，在异步IO模型中，当用户线程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从内核的角度，当它受到一个asynchronous read之后，它会立刻返回，说明read请求已经成功发起了，因此不会对用户线程产生任何block。然后，内核会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户线程，当这一切都完成之后，内核会给用户线程发送一个信号，告诉它read操作完成了。也就说用户线程完全不需要关心实际的整个IO操作是如何进行的，只需要先发起一个请求，当接收内核返回的成功信号时表示IO操作已经完成，可以直接去使用数据了。

也就说在异步IO模型中，IO操作的两个阶段都不会阻塞用户线程，这两个阶段都是由内核自动完成，然后发送一个信号告知用户线程操作已完成。用户线程中不需要再次调用IO函数进行具体的读写。这点是和信号驱动模型有所不同的，在信号驱动模型中，当用户线程接收到信号表示数据已经就绪，然后需要用户线程调用IO函数进行实际的读写操作；而在异步IO模型中，收到信号表示IO操作已经完成，不需要再在用户线程中调用iO函数进行实际的读写操作。

注意，异步IO是需要操作系统的底层支持，在Java 7中，提供了Asynchronous IO。简称AIO

前面四种IO模型实际上都属于同步IO，只有最后一种是真正的异步IO，因为无论是多路复用IO还是信号驱动模型，IO操作的第2个阶段都会引起用户线程阻塞，也就是内核进行数据拷贝的过程都会让用户线程阻塞。