通过上下两篇详细讲述EPOLL的是原理及使用方法，上篇主要针对基本概念和基础用法

1. 概念

1.1 基本概念解释

流(stream)

指计算机中顺序读写字节序列。对应于现实中的输入模型(磁带、纸带，他们都是按顺序从头开始)

流是能统一描述所有常见输入输出类型的模型，包括文件、键盘、显示器等等，能够通过输入输出重定向（不使用标准IO函数，编写相应的读写函数，处理文件、键盘等模型）。相较于随机读写，流模型能兼容不同的读写介质，提高读写效率。

缓冲区(Buffer)

假设有一个管道，A端为输入，B端为输出。

一开始管道是空的，对应内核缓冲区为空，B被阻塞。
当A开始写入数据时，缓冲区非空，B可能还是读取也可能继续休息。
若A写满了缓冲区，则A被阻塞，等待B读取数据。
若B读取所有数据，缓冲区为空，则B又被阻塞。

总结起来就是：

缓冲区空：两种可能，A没开始输入，B读取完毕所有数据，两种情况下B都被阻塞
缓冲区非满：A开始写入数据，B可能读取也可能休息
缓冲区满：A不能再写入，被阻塞，等待B醒来。B读取时，A可能接着写入可能继续休息。

1.2 四种事件处理的方式

阻塞IO：一个线程只能处理一个流的I/O事件。除非采用多线程，否则效率很低。

非阻塞忙轮询IO：即Non-Blocking Busy Polling，等待某个事件的时候，放弃其他事情，休息，专门等待，称之为阻塞。等待过程中不休息，不断询问事件是否完成，称之为非阻塞忙轮询。可以同时处理多个流，但需要从头到尾轮询，浪费资源。

Select：相当于一位代理，帮我们观察流。但这位代理只会告诉我们此刻是否有IO事件发生，我们却不知道是哪些流，只能无差别轮询。

Epoll：即event poll，不同于无差别轮询，epoll会把哪个流发生什么样的事情通知我们。

1.3 Select/Poll的缺点

单个进程能够监视的文件描述为最大为1024，轮询越多，性能越差
Select需要复制大量句柄数据结构，开销巨大。
Select返回整个句柄数组，程序需要遍历数组才能知道哪些句柄发生了什么事件。
触发方式为水平触发，如果程序没有对一个就绪的文件进行IO操作，之后每次Select调用还是会将文件描述符通知给进程。

Poll使用链表保存文件，没有1的限制，但其他三个缺点依然比较明显。

2. Epoll模型

2.1 Epoll机制解析

Epoll也就是events poll，它分为三个部分实现：

调用epoll_creat建立一个epoll对象
调用epoll_ctl向epoll对象中添加众多套接字
调用epoll_wait收集发生的事件的连接

某一进程调用epoll_creat时，Linux内核会创建一个eventpoll结构体。结构体中存在两个成员：

红黑树的根节点，存储epoll需要监控的事件
双链表的头部，存储epoll_wait返回给用户的满足条件的事件

用户通过epoll_ctl向epoll对象中注册事件，这些事件会挂载到红黑树中，能高效识别重复事件。所有注册的事件都会和驱动程序建立回调关系，事件发生时调用这个回调方法，将发生的事件添加到双链表rdlist中。

当调用epoll_wait检查事件发生时，只需要检查双链表rdlist是否有元素即可。通过epoll_ctl把所有事件传入内核，一起wait，避免了不必要的重复拷贝。

当某一进程调用epoll_create方法时，Linux内核会创建一个eventpoll结构体：

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;
    ....
};

每次调用epoll_create方法都会创建一个epoll对象，每一个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。在epoll中，对于每一个事件，都会建立一个epitem结构体，如下所示：

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
}

总结一下，epoll内部有两个重要的结构体：

eventpoll：每个epoll都有一个，维护一个红黑树和双向链表，ctl注册的事件挂载到红黑树，发生的事件挂载到链表。
epitem：每个事件都有一个，记载了事件在红黑树和链表中的位置，以及事件的属性。

2.2 Epoll使用方法

1.创建Epoll句柄

int epfd = epoll_create(intsize);

创建一个epoll句柄，size用来告诉内核这个监听的数目有多大。注意：当创建好epoll句柄后，它就是会占用一个fd值，所以使用完epoll以后，需要及时调用close()关闭，否则会导致fd耗尽。

2.注册或修改监听事件

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

参数：

epfd，之前creat的句柄
op，动作类型
- 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，需要监听的文件句柄
event，需要监听的事件

调用成功返回0，不成功返回-1。以下是epoll_event结构体

// 保存触发事件的某个文件描述符相关的数据
typedef union epoll_data {
    void *ptr;
    int fd;
    __uint32_t u32;
    __uint64_t u64;
} epoll_data_t;

// 注册所感兴趣的事件和回传所发生待处理的事件
struct epoll_event {
    __uint32_t events; // Epoll events
    epoll_data_t data; // User data variable
};

其中events包含了如下的宏集合：

EPOLLIN：表示对应的文件描述符可读（包括对端Socket）
EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可写
EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急数据可读（带外数据）
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），这是相对于水平触发（Level Triggered）而言的。

边缘触发和水平触发的区别是：

水平触发LT：默认方式，支持阻塞和非阻塞。内核告诉你某个fd就位了，如果你不对这个fd进行IO操作，内核会一直通知你。所以这种模式安全性较高。
边缘触发ET：只支持非阻塞，内核只会通知你一次，如果你不操作他也不管你了，速度快

3.等待事件触发

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

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。
maxevents告诉内核这个events数组有多大，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）。

该函数返回需要处理的事件数目，如返回0表示已超时。

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socket fd和事件类型放入到events数组中，并将注册在epfd上的socket fd的事件类型给清空。
如果下一个循环还要关注这个socket fd的话，则需要用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。

3. 实战

使用epoll的基本逻辑如下。我们需要用到多个socket句柄，首先本地服务器肯定要创建一个socket，同时也需要将这个fd注册到epoll中。

实际代码如下，主要工作是初始化服务器socket，并将其注册到epoll中。

/*步骤1：设置socket */
struct sockaddr_in clientaddr;
struct sockaddr_in serveraddr;
listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
setnonblocking(listenfd); //自己写的函数，把socket设置为非阻塞方式

/*步骤2：创建并设置epoll */
struct epoll_event ev, events[20];             //声明epoll_event结构体的变量,ev用于注册事件,数组用于回传要处理的事件
epfd = epoll_create(256);                      //生成用于处理accept的epoll专用的文件描述符
ev.data.fd = listenfd;                         //设置与要处理的事件相关的文件描述符
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;                 //设置要处理的事件类型
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev); //注册epoll事件

/*步骤3：连接并监听网络 */
bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr)); //置零
serveraddr.sin_family = AF_INET;
char *local_addr = "127.0.0.1";
inet_aton(local_addr, &(serveraddr.sin_addr)); //将一个字符串IP地址转换为一个32位的网络序列IP地址
serveraddr.sin_port = htons(portnumber);       //portnumber自己设的端口号
bind(listenfd, (sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr));
listen(listenfd, 20); //最大等待20个

客户端与服务器沟通分为两步：

客户端连接，事件的句柄fd是服务器的fd。
客户端收发数据，事件的句柄fd是客户端本身的socket句柄

代码如下：

/*步骤4：处理事件 */
while (1)
{
    nfds = epoll_wait(epfd, events, 20, 500); //等待epoll事件的发生,最大20个，超时500ms
    for (i = 0; i < nfds; ++i)                //处理所发生的所有事件
    {
        if (events[i].data.fd == listenfd) //如果新监测到一个SOCKET用户连接到了绑定的SOCKET端口，建立新的连接。
        {
            connfd = accept(listenfd, (sockaddr *)&clientaddr, &clilen);
            char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr);
            cout << "accapt a connection from " << str << endl;
            ev.data.fd = connfd;                         //设置用于读操作的文件描述符
            ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;               //设置用于注测的读操作事件
            epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &ev); //注册ev
        }
        else if (events[i].events & EPOLLIN) //如果是已经连接的用户，并且收到数据，那么进行读入。
        {
            cout << "EPOLLIN" << endl;
            int n = read(sockfd, line, MAXLINE))//传送到line中，返回n传送的字节数
            line[n] = '/0';
            cout << "read " << line << endl;
            ev.data.fd = sockfd;                         //设置用于写操作的文件描述符
            ev.events = EPOLLOUT | EPOLLET;              //设置用于注测的写操作事件
            epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, sockfd, &ev); //修改sockfd上要处理的事件为EPOLLOUT
        }
        else if (events[i].events & EPOLLOUT) // 如果有数据发送
        {
            sockfd = events[i].data.fd;
            write(sockfd, line, n);
            ev.data.fd = sockfd;                         //设置用于读操作的文件描述符
            ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;               //设置用于注测的读操作事件
            epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, sockfd, &ev); //修改sockfd上要处理的事件为EPOLIN
        }
    }
}

详解Epoll-上篇

2019-07-29
计算机网络

详解Epoll-上篇

1. 概念

1.1 基本概念解释

1.2 四种事件处理的方式

1.3 Select/Poll的缺点

2. Epoll模型

2.1 Epoll机制解析

2.2 Epoll使用方法

3. 实战

详解Epoll-上篇

1. 概念

1.1 基本概念解释

1.2 四种事件处理的方式

1.3 Select/Poll的缺点

2. Epoll模型

2.1 Epoll机制解析

2.2 Epoll使用方法

3. 实战

感谢支持！