IO多路复用之epoll全面总结(必看篇)

linux IO 多路复用 epoll 2024-03-22

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

epoll操作过程需要三个接口，分别如下：

1234	`#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：

1234	`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，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

编写一个服务器回射程序echo，练习epoll过程。

服务器代码如下所示：

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176177178179180181182183184185186187 #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epollstatic void do_epoll(int listenfd);//事件处理函数static voidhandle_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 voidhandle_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);}elsemodify_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);}

客户端也用epoll实现，控制stdin_fileno、stdout_fileno、和sockfd三个描述符，程序如下所示：

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143 #include <netinet/in.h>#include <sys/socket.h>#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <sys/epoll.h>#include <time.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <arpa/inet.h> #define maxsize 1024#define ipaddress "127.0.0.1"#define serv_port 8787#define fdsize 1024#define epollevents 20 static void handle_connection(int sockfd);static voidhandle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int sockfd,char *buf);static void do_read(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf);static void do_read(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf);static void do_write(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf);static void add_event(int epollfd,int fd,int state);static void delete_event(int epollfd,int fd,int state);static void modify_event(int epollfd,int fd,int state); int main(int argc,char *argv[]){int sockfd;struct sockaddr_in servaddr;sockfd = socket(af_inet,sock_stream,0);bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = af_inet;servaddr.sin_port = htons(serv_port);inet_pton(af_inet,ipaddress,&servaddr.sin_addr);connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));//处理连接handle_connection(sockfd);close(sockfd);return 0;} static void handle_connection(int sockfd){int epollfd;struct epoll_event events[epollevents];char buf[maxsize];int ret;epollfd = epoll_create(fdsize);add_event(epollfd,stdin_fileno,epollin);for ( ; ; ){ret = epoll_wait(epollfd,events,epollevents,-1);handle_events(epollfd,events,ret,sockfd,buf);}close(epollfd);} static voidhandle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int sockfd,char *buf){int fd;int i;for (i = 0;i < num;i++){fd = events[i].data.fd;if (events[i].events & epollin)do_read(epollfd,fd,sockfd,buf);else if (events[i].events & epollout)do_write(epollfd,fd,sockfd,buf);}} static void do_read(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf){int nread;nread = read(fd,buf,maxsize);if (nread == -1){perror("read error:");close(fd);}else if (nread == 0){fprintf(stderr,"server close.\n");close(fd);}else{if (fd == stdin_fileno)add_event(epollfd,sockfd,epollout);else{delete_event(epollfd,sockfd,epollin);add_event(epollfd,stdout_fileno,epollout);}}} static void do_write(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf){int nwrite;nwrite = write(fd,buf,strlen(buf));if (nwrite == -1){perror("write error:");close(fd);}else{if (fd == stdout_fileno)delete_event(epollfd,fd,epollout);elsemodify_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);}