linux socket网络编程之epoll

1、基本知识
        epoll是在2.6内核中提出的，是之前的select和poll的增强版本。相对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。

2、epoll接口

在上篇转载的文章中提到了select的3个缺点：

（1）每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大。

（2）同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大。

（3）select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024。（poll没有最大文件描述符数量的限制）

       epoll既然是对select和poll的改进，就应该能避免上述的三个缺点。那epoll都是怎么解决的呢？在此之前，我们先看一下epoll和select和poll的调用接口上的不同，select和poll都只提供了一个函数——select或者poll函数。而epoll提供了三个函数，epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait，epoll_create是创建一个epoll句柄；epoll_ctl是注册要监听的事件类型；epoll_wait则是等待事件的产生。

（1）对于第一个缺点，epoll的解决方案在epoll_ctl函数中。每次注册新的事件到epoll句柄中时（在epoll_ctl中指定EPOLL_CTL_ADD），会把所有的fd拷贝进内核，而不是在epoll_wait的时候重复拷贝。epoll保证了每个fd在整个过程中只会拷贝一次。

（2）对于第二个缺点，epoll的解决方案不像select或poll一样每次都把current轮流加入fd对应的设备等待队列中，而只在epoll_ctl时把current挂一遍（这一遍必不可少）并为每个fd指定一个回调函数，当设备就绪，唤醒等待队列上的等待者时，就会调用这个回调函数，而这个回调函数会把就绪的fd加入一个就绪链表（Ready队列）。epoll_wait的工作实际上就是在这个就绪链表中查看有没有就绪的fd，如果没有利用schedule_timeout()实现睡一会，判断一会的效果，当设备驱动发生自身资源可读写后，会唤醒其等待队列上睡眠的进程，调用相应的回调函数。如果超过一定的超时时间（schedule_timeout指定），还是没人唤醒，则调用epoll_wait()的进程会重新被唤醒获得CPU，检测就绪链表中查看有没有就绪的fd）。

（3）对于第三个缺点，epoll没有这个限制，它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2048,举个例子,在1GB内存的机器上大约是10万左右，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般来说这个数目和系统内存关系很大。

（4）epoll其他优点：使用mmap加速内核与用户空间的消息传递，这点实际上涉及到epoll的具体实现了。无论是select,poll还是epoll都需要内核把FD消息通知给用户空间，如何避免不必要的内存拷贝就很重要，在这点上，epoll是通过内核于用户空间mmap同一块内存实现的。而如果你想我一样从2.5内核就关注epoll的话，一定不会忘记手工mmap这一步的。

epoll操作过程需要三个接口，分别如下：

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

（1）int epoll_create(int size);

创建一个epoll的句柄，size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。这个参数不同于select()中的第一个参数，给出最大监听的fd+1的值。需要注意的是，当创建好epoll句柄后，它就是会占用一个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。

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

epoll的事件注册函数，它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件epoll的事件注册函数，它不同与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，

第二个参数表示动作，用三个宏来表示：

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；

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，struct epoll_event结构如下：

struct epoll_event
{
__uint32_t events;  /* Epoll events */
epoll_data_t data;  /* User data variable */
};

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

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

等待事件的产生，类似于select()调用。参数events用来从内核得到事件的集合，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将不确定，也有说法说是永久阻塞）。该函数返回需要处理的事件数目，如返回0表示已超时。

3、工作模式

      epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT（level trigger）和ET（edge trigger）。LT模式是默认模式，LT模式与ET模式的区别如下：

　  LT模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时，会再次响应应用程序并通知此事件。

　  ET模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次响应应用程序并通知此事件。

　  ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的时候，必须使用非阻塞套接口(LT模式下阻塞/非阻塞套接口均可)，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

4、测试程序

#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        8787
#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);
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;
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);
}

5、参考文献
http://www.cnblogs.com/Anker/p/3265058.html
http://www.cnblogs.com/Anker/p/3263780.html#3572791
http://baike.baidu.com/link?url=3OJ-UKVzjnurkM2cJbYPuN1esgaofJCuX6L_DjkmonJJCsFyx655EUsbcV5ta3LZ6nsz8Z-84YQwDzBs0aX22q