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linux epoll机制详解

转载 作者：qq735679552 更新时间：2022-09-28 22:32:09 32 4
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这篇CFSDN的博客文章linux epoll机制详解由作者收集整理，如果你对这篇文章有兴趣，记得点赞哟.

在linux 没有实现epoll事件驱动机制之前，我们一般选择用select或者poll等io多路复用的方法来实现并发服务程序。在linux新的内核中，有了一种替换它的机制，就是epoll.

select()和poll() io多路复用模型

select的缺点:

1.单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，通常是1024，当然可以更改数量，但由于select采用轮询的方式扫描文件描述符，文件描述符数量越多，性能越差；(在linux内核头文件中，有这样的定义：#define __fd_setsize 1024) 2.内核 / 用户空间内存拷贝问题，select需要复制大量的句柄数据结构，产生巨大的开销； 3.select返回的是含有整个句柄的数组，应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件； 4.select的触发方式是水平触发，应用程序如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行io操作，那么之后每次select调用还是会将这些文件描述符通知进程.

相比select模型，poll使用链表保存文件描述符，因此没有了监视文件数量的限制，但其他三个缺点依然存在.

假设我们的服务器需要支持100万的并发连接，则在__fd_setsize 为1024的情况下，则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。除了进程间上下文切换的时间消耗外，从内核/用户空间大量的无脑内存拷贝、数组轮询等，是系统难以承受的。因此，基于select模型的服务器程序，要达到10万级别的并发访问，是一个很难完成的任务.

epoll io多路复用模型实现机制

由于epoll的实现机制与select/poll机制完全不同，上面所说的 select的缺点在epoll上不复存在.

设想一下如下场景：有100万个客户端同时与一个服务器进程保持着tcp连接。而每一时刻，通常只有几百上千个tcp连接是活跃的(事实上大部分场景都是这种情况)。如何实现这样的高并发?

在select/poll时代，服务器进程每次都把这100万个连接告诉操作系统(从用户态复制句柄数据结构到内核态)，让操作系统内核去查询这些套接字上是否有事件发生，轮询完后，再将句柄数据复制到用户态，让服务器应用程序轮询处理已发生的网络事件，这一过程资源消耗较大，因此，select/poll一般只能处理几千的并发连接.

epoll的设计和实现与select完全不同。epoll通过在linux内核中申请一个简易的文件系统(文件系统一般用什么数据结构实现？b+树)。把原先的select/poll调用分成了3个部分:

1）调用epoll_create()建立一个epoll对象(在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源) 。

2）调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接的套接字 。

3）调用epoll_wait收集发生的事件的连接 。

如此一来，要实现上面说是的场景，只需要在进程启动时建立一个epoll对象，然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同时，epoll_wait的效率也非常高，因为调用epoll_wait时，并没有一股脑的向操作系统复制这100万个连接的句柄数据，内核也不需要去遍历全部的连接.

epoll实现机制

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。eventpoll结构体如下所示:

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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，当相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，如下所示:

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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.

linux epoll机制详解

通过红黑树和双链表数据结构，并结合回调机制，造就了epoll的高效.

epoll的接口

1.epoll_create 。

创建epoll句柄 函数声明：int epoll_create(int size) 。

参数：size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。 返回值：返回创建了的epoll句柄。 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.epoll_ctl 。

将被监听的描述符添加到epoll句柄或从epool句柄中删除或者对监听事件进行修改。 函数申明：int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event*event),

参数： epfd： epoll_create()的返回值 op：表示要进行的操作，其值分别为： 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：需要操作/监听的文件句柄 event：是告诉内核需要监听什么事件，struct epoll_event如下:

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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可以是以下几个宏的集合:

epollin：触发该事件，表示对应的文件描述符上有可读数据。(包括对端socket正常关闭)； epollout：触发该事件，表示对应的文件描述符上可以写数据； 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(edgetriggered)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.

示例:

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struct epoll_event ev;
//设置与要处理的事件相关的文件描述符
ev.data.fd=listenfd;
//设置要处理的事件类型
ev.events=epollin|epollet;
//注册epoll事件
epoll_ctl(epfd,epoll_ctl_add,listenfd,&ev);

1.epoll_wait 。

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。 函数原型：int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout),

参数： epfd：由epoll_create 生成的epoll文件描述符 events：用于回传代处理事件的数组 maxevents：每次能处理的最大事件数 timeout：等待i/o事件发生的超时毫秒数，-1相当于阻塞，0相当于非阻塞。一般用-1即可 。

epoll的工作模式

et(edgetriggered):高速工作模式，只支持no_block(非阻塞模式)。在此模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告知。然后它会假设用户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，直到某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了。(触发模式只在数据就绪时通知一次，若数据没有读完，下一次不会通知，直到有新的就绪数据) 。

lt(leveltriggered):缺省工作方式，支持blocksocket和no_blocksocket。在lt模式下内核会告知一个文件描述符是否就绪了，然后可以对这个就绪的fd进行io操作。如果不作任何操作，内核还是会继续通知！若数据没有读完，内核也会继续通知，直至设备数据为空为止！ 。

示例说明：

1.我们已经把一个用来从管道中读取数据的文件句柄(rfd)添加到epoll描述符 2. 这个时候从管道的另一端被写入了2kb的数据 3. 调用epoll_wait(2)，并且它会返回rfd，说明它已经准备好读取操作 4. 然后我们读取了1kb的数据 5. 调用epoll_wait(2)…… 。

et工作模式:

如果我们在第1步将rfd添加到epoll描述符的时候使用了epollet标志，在第2步执行了一个写操作，第三步epoll_wait会返回同时通知的事件会销毁。因为第4步的读取操作没有读空文件输入缓冲区内的数据，因此我们在第5步调用epoll_wait(2)完成后，是否挂起是不确定的。epoll工作在et模式的时候，必须使用非阻塞套接口，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.

只有当read(2)或者write(2)返回eagain时(认为读完)才需要挂起，等待。但这并不是说每次read()时都需要循环读，直到读到产生一个eagain才认为此次事件处理完成，当read()返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时(即小于sizeof(buf))，就可以确定此时缓冲中已没有数据了，也就可以认为此事读事件已处理完成.

lt工作模式:

lt方式调用epoll接口的时候，它就相当于一个速度比较快的poll(2)，并且无论后面的数据是否被使用，因此他们具有同样的职能.

示例

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/*
* file epolltest.c
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <string.h>
 
#define maxevents 64
 
//函数:
//功能:创建和绑定一个tcp socket
//参数:端口
//返回值:创建的socket
static int
create_and_bind ( char *port)
{
  struct addrinfo hints;
  struct addrinfo *result, *rp;
  int s, sfd;
 
  memset (&hints, 0, sizeof ( struct addrinfo));
  hints.ai_family = af_unspec;  /* return ipv4 and ipv6 choices */
  hints.ai_socktype = sock_stream; /* we want a tcp socket */
  hints.ai_flags = ai_passive;  /* all interfaces */
 
  s = getaddrinfo (null, port, &hints, &result);
  if (s != 0)
  {
   fprintf (stderr, "getaddrinfo: %s\n" , gai_strerror (s));
   return -1;
  }
 
  for (rp = result; rp != null; rp = rp->ai_next)
  {
   sfd = socket (rp->ai_family, rp->ai_socktype, rp->ai_protocol);
   if (sfd == -1)
   continue ;
 
   s = bind (sfd, rp->ai_addr, rp->ai_addrlen);
   if (s == 0)
   {
    /* we managed to bind successfully! */
    break ;
   }
 
   close (sfd);
  }
 
  if (rp == null)
  {
   fprintf (stderr, "could not bind\n" );
   return -1;
  }
 
  freeaddrinfo (result);
 
  return sfd;
}
 
 
//函数
//功能:设置socket为非阻塞的
static int
make_socket_non_blocking ( int sfd)
{
  int flags, s;
 
  //得到文件状态标志
  flags = fcntl (sfd, f_getfl, 0);
  if (flags == -1)
  {
   perror ( "fcntl" );
   return -1;
  }
 
  //设置文件状态标志
  flags |= o_nonblock;
  s = fcntl (sfd, f_setfl, flags);
  if (s == -1)
  {
   perror ( "fcntl" );
   return -1;
  }
 
  return 0;
}
 
//端口由参数argv[1]指定
int
main ( int argc, char *argv[])
{
  int sfd, s;
  int efd;
  struct epoll_event event;
  struct epoll_event *events;
 
  if (argc != 2)
  {
   fprintf (stderr, "usage: %s [port]\n" , argv[0]);
   exit (exit_failure);
  }
 
  sfd = create_and_bind (argv[1]);
  if (sfd == -1)
  abort ();
 
  s = make_socket_non_blocking (sfd);
  if (s == -1)
  abort ();
 
  s = listen (sfd, somaxconn);
  if (s == -1)
  {
   perror ( "listen" );
   abort ();
  }
 
  //除了参数size被忽略外,此函数和epoll_create完全相同
  efd = epoll_create1 (0);
  if (efd == -1)
  {
   perror ( "epoll_create" );
   abort ();
  }
 
  event.data.fd = sfd;
  event.events = epollin | epollet; //读入,边缘触发方式
  s = epoll_ctl (efd, epoll_ctl_add, sfd, &event);
  if (s == -1)
  {
   perror ( "epoll_ctl" );
   abort ();
  }
 
  /* buffer where events are returned */
  events = calloc (maxevents, sizeof event);
 
  /* the event loop */
  while (1)
  {
   int n, i;
 
   n = epoll_wait (efd, events, maxevents, -1);
   for (i = 0; i < n; i++)
   {
    if ((events[i].events & epollerr) ||
     (events[i].events & epollhup) ||
     (!(events[i].events & epollin)))
    {
     /* an error has occured on this fd, or the socket is not
      ready for reading (why were we notified then?) */
     fprintf (stderr, "epoll error\n" );
     close (events[i].data.fd);
     continue ;
    }
 
    else if (sfd == events[i].data.fd)
    {
     /* we have a notification on the listening socket, which
      means one or more incoming connections. */
     while (1)
     {
      struct sockaddr in_addr;
      socklen_t in_len;
      int infd;
      char hbuf[ni_maxhost], sbuf[ni_maxserv];
 
      in_len = sizeof in_addr;
      infd = accept (sfd, &in_addr, &in_len);
      if (infd == -1)
      {
       if (( errno == eagain) ||
        ( errno == ewouldblock))
       {
        /* we have processed all incoming
         connections. */
        break ;
       }
       else
       {
        perror ( "accept" );
        break ;
       }
      }
 
          //将地址转化为主机名或者服务名
      s = getnameinfo (&in_addr, in_len,
          hbuf, sizeof hbuf,
          sbuf, sizeof sbuf,
          ni_numerichost | ni_numericserv); //flag参数:以数字名返回
          //主机地址和服务地址
 
      if (s == 0)
      {
       printf ( "accepted connection on descriptor %d "
         "(host=%s, port=%s)\n" , infd, hbuf, sbuf);
      }
 
      /* make the incoming socket non-blocking and add it to the
       list of fds to monitor. */
      s = make_socket_non_blocking (infd);
      if (s == -1)
      abort ();
 
      event.data.fd = infd;
      event.events = epollin | epollet;
      s = epoll_ctl (efd, epoll_ctl_add, infd, &event);
      if (s == -1)
      {
       perror ( "epoll_ctl" );
       abort ();
      }
     }
     continue ;
    }
    else
    {
     /* we have data on the fd waiting to be read. read and
      display it. we must read whatever data is available
      completely, as we are running in edge-triggered mode
      and won't get a notification again for the same
      data. */
     int done = 0;
 
     while (1)
     {
      ssize_t count;
      char buf[512];
 
      count = read (events[i].data.fd, buf, sizeof (buf));
      if (count == -1)
      {
       /* if errno == eagain, that means we have read all
        data. so go back to the main loop. */
       if ( errno != eagain)
       {
        perror ( "read" );
        done = 1;
       }
       break ;
      }
      else if (count == 0)
      {
       /* end of file. the remote has closed the
        connection. */
       done = 1;
       break ;
      }
 
      /* write the buffer to standard output */
      s = write (1, buf, count);
      if (s == -1)
      {
       perror ( "write" );
       abort ();
      }
     }
 
     if (done)
     {
      printf ( "closed connection on descriptor %d\n" ,
        events[i].data.fd);
 
      /* closing the descriptor will make epoll remove it
       from the set of descriptors which are monitored. */
      close (events[i].data.fd);
     }
    }
   }
  }
 
  free (events);
 
  close (sfd);
 
  return exit_success;
}

代码编译后，./epolltest 8888 ,在另外一个终端中执行 telnet 192.168.1.161 8888 ，192.168.1.161为执行测试程序的ip。在telnet终端敲入任何字符敲入enter后，会在测试终端显示敲入的字符.

总结

以上就是本文关于linux epoll机制详解的全部内容，希望对大家有所帮助。感兴趣的朋友可以继续参阅本站其他相关专题，如有不足之处，欢迎留言指出。感谢朋友们对本站的支持！ 。

原文链接：http://blog.csdn.net/u010657219/article/details/44061629 。

最后此篇关于linux epoll机制详解的文章就讲到这里了,如果你想了解更多关于linux epoll机制详解的内容请搜索CFSDN的文章或继续浏览相关文章，希望大家以后支持我的博客！ 。

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