Linux Epoll介绍和程序实例

Linux Epoll介绍和程序实例
1. Epoll是何方神圣？
Epoll可是当前在Linux下开发大规模并发网络程序的热门人选，Epoll 在Linux2.6内核中正式引入，和select相似，其实都I/O多路复用技术而已，并没有什么神秘的。

其实在Linux下设计并发网络程序，向来不缺少方法，比如典型的Apache模型（Process Per Connection，简称PPC），TPC（Thread PerConnection）模型，以及select模型和poll模型，那为何还要再引入Epoll这个东东呢？那还是有得说说的…
2. 常用模型的缺点
如果不摆出来其他模型的缺点，怎么能对比出Epoll的优点呢。

2.1 PPC/TPC模型
这两种模型思想类似，就是让每一个到来的连接一边自己做事去，别再来烦我。

只是PPC 是为它开了一个进程，而TPC开了一个线程。

可是别烦我是有代价的，它要时间和空间啊，连接多了之后，那么多的进程/线程切换，这开销就上来了；因此这类模型能接受的最大连接数都不会高，一般在几百个左右。

2.2 select模型
1. 最大并发数限制，因为一个进程所打开的FD（文件描述符）是有限制的，由FD_SETSIZE 设置，默认值是1024/2048，因此Select模型的最大并发数就被相应限制了。

自己改改这个FD_SETSIZE？想法虽好，可是先看看下面吧…
2. 效率问题，select每次调用都会线性扫描全部的FD集合，这样效率就会呈现线性下降，把FD_SETSIZE改大的后果就是，大家都慢慢来，什么？都超时了？？！！
3. 内核/用户空间内存拷贝问题，如何让内核把FD消息通知给用户空间呢？在这个问题上select采取了内存拷贝方法。

2.3 poll模型
基本上效率和select是相同的，select缺点的2和3它都没有改掉。

3. Epoll的提升
把其他模型逐个批判了一下，再来看看Epoll的改进之处吧，其实把select的缺点反过来那就是Epoll的优点了。

3.1. Epoll没有最大并发连接的限制，上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2048, 一般来说这个数目和系统内存关系很大，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max 察看。

3.2. 效率提升，Epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接，而跟连接总数无关，因此在实际的网络环境中，Epoll的效率就会远远高于select和poll。

3.3. 内存拷贝，Epoll在这点上使用了“共享内存”，这个内存拷贝也省略了。

4. Epoll为什么高效
Epoll的高效和其数据结构的设计是密不可分的，这个下面就会提到。

首先回忆一下select模型，当有I/O事件到来时，select通知应用程序有事件到了快去处理，而应用程序必须轮询所有的FD集合，测试每个FD是否有事件发生，并处理事件；代码像下面这样：
int res = select(maxfd+1, &readfds, NULL, NULL, 120);
if(res > 0)
{
for(int i = 0; i < MAX_CONNECTION; i++)
{
if(FD_ISSET(allConnection[i],&readfds))
{
handleEvent(allConnection[i]);
}
}
}
// if(res == 0) handle timeout, res < 0 handle error
Epoll不仅会告诉应用程序有I/0事件到来，还会告诉应用程序相关的信息，这些信息是应用程序填充的，因此根据这些信息应用程序就能直接定位到事件，而不必遍历整个FD集合。

int res = epoll_wait(epfd, events, 20, 120);
for(int i = 0; i < res;i++)
{
handleEvent(events[n]);
}
5. Epoll关键数据结构
前面提到Epoll速度快和其数据结构密不可分，其关键数据结构就是：
struct epoll_event {
__uint32_t events; // Epoll events
epoll_data_t data; // User datavariable
};
typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
__uint32_t u32;
__uint64_t u64;
} epoll_data_t;
可见epoll_data是一个union结构体,借助于它应用程序可以保存很多类型的信息:fd、指针等等。

有了它，应用程序就可以直接定位目标了。

6. 使用Epoll
既然Epoll相比select这么好，那么用起来如何呢？会不会很繁琐啊…先看看下面的三个函数吧，就知道Epoll的易用了。

int epoll_create(int size);
生成一个Epoll专用的文件描述符，其实是申请一个内核空间，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。

size就是你在这个Epoll fd上能关注的最大socket fd 数，大小自定，只要内存足够。

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
控制某个Epoll文件描述符上的事件：注册、修改、删除。

其中参数epfd是epoll_create()创建Epoll专用的文件描述符。

相对于select模型中的FD_SET和FD_CLR宏。

int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event *
events,int maxevents,int timeout);
等待I/O事件的发生；参数说明：
epfd:由epoll_create()生成的Epoll专用的文件描述符；
epoll_event:用于回传代处理事件的数组；
maxevents:每次能处理的事件数；
timeout:等待I/O事件发生的超时值；
返回发生事件数。

相对于select模型中的select函数。

7. 例子程序
下面是一个简单Echo Server的例子程序，麻雀虽小，五脏俱全，还包含了一个简单的超时检查机制，简洁起见没有做错误处理。

[cpp]view plaincopyprint?
1.//
2.// a simple echo server using epoll in linux
3.//
4.// 2009-11-05
5.// 2013-03-22:修改了几个问题，1是/n格式问题，2是去掉了原代码不小心加上的ET模
式;
6.// 本来只是简单的示意程序，决定还是加上recv/send时的buffer偏移
7.// by sparkling
8.//
9.#include <sys/socket.h>
10.#include <sys/epoll.h>
11.#include <netinet/in.h>
12.#include <arpa/inet.h>
13.#include <fcntl.h>
14.#include <unistd.h>
15.#include <stdio.h>
16.#include <errno.h>
17.#include <iostream>
ing namespace std;
19.#define MAX_EVENTS 500
20.struct myevent_s
21.{
22.int fd;
23.void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);
24.int events;
25.void *arg;
26.int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in
27.char buff[128]; // recv data buffer
28.int len, s_offset;
29.long last_active; // last active time
30.};
31.// set event
32.void EventSet(myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void*), void *arg)
33.{
34.ev->fd = fd;
35.ev->call_back = call_back;
36.ev->events = 0;
37.ev->arg = arg;
38.ev->status = 0;
39.bzero(ev->buff, sizeof(ev->buff));
40.ev->s_offset = 0;
41.ev->len = 0;
42.ev->last_active = time(NULL);
43.}
44.// add/mod an event to epoll
45.void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev)
46.{
47.struct epoll_event epv = {0, {0}};
48.int op;
49.epv.data.ptr = ev;
50.epv.events = ev->events = events;
51.if(ev->status == 1){
52.op = EPOLL_CTL_MOD;
53.}
54.else{
55.op = EPOLL_CTL_ADD;
56.ev->status = 1;
57.}
58.if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0)
59.printf("Event Add failed[fd=%d], evnets[%d]\n", ev->fd, events);
60.else
61.printf("Event Add OK[fd=%d], op=%d, evnets[%0X]\n", ev->fd, op, events);
62.}
63.// delete an event from epoll
64.void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev)
65.{
66.struct epoll_event epv = {0, {0}};
67.if(ev->status != 1) return;
68.epv.data.ptr = ev;
69.ev->status = 0;
70.epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);
71.}
72.int g_epollFd;
73.myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen
fd
74.void RecvData(int fd, int events, void *arg);
75.void SendData(int fd, int events, void *arg);
76.// accept new connections from clients
77.void AcceptConn(int fd, int events, void *arg)
78.{
79.struct sockaddr_in sin;
80.socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);
81.int nfd, i;
82.// accept
83.if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1)
84.{
85.if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)
86.{
87.}
88.printf("%s: accept, %d", __func__, errno);
89.return;
90.}
91.do
92.{
93.for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)
94.{
95.if(g_Events[i].status == 0)
96.{
97.break;
98.}
99.}
100.if(i == MAX_EVENTS)
101.{
102.printf("%s:max connection limit[%d].", __func__, MAX_EVENTS);
103.break;
104.}
105.// set nonblocking
106.int iret = 0;
107.if((iret = fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0)
108.{
109.printf("%s: fcntl nonblocking failed:%d", __func__, iret);
110.break;
111.}
112.// add a read event for receive data
113.EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]);
114.EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, &g_Events[i]);
115.}while(0);
116.printf("new conn[%s:%d][time:%d], pos[%d]\n", inet_ntoa(sin.sin_addr), 117.ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active, i);
118.}
119.// receive data
120.void RecvData(int fd, int events, void *arg)
121.{
122.struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;
123.int len;
124.// receive data
125.len = recv(fd, ev->buff+ev->len, sizeof(ev->buff)-1-ev->len, 0); 126.EventDel(g_epollFd, ev);
127.if(len > 0)
128.{
129.ev->len += len;
130.ev->buff[len] = '\0';
131.printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buff);
132.// change to send event
133.EventSet(ev, fd, SendData, ev);
134.EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT, ev);
135.}
136.else if(len == 0)
137.{
138.close(ev->fd);
139.printf("[fd=%d] pos[%d], closed gracefully.\n", fd, ev-g_Events); 140.}
141.else
142.{
143.close(ev->fd);
144.printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno)); 145.}
146.}
147.// send data
148.void SendData(int fd, int events, void *arg)
149.{
150.struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;
151.int len;
152.// send data
153.len = send(fd, ev->buff + ev->s_offset, ev->len - ev->s_offset, 0); 154.if(len > 0)
155.{
156.printf("send[fd=%d], [%d<->%d]%s\n", fd, len, ev->len, ev->buff); 157.ev->s_offset += len;
158.if(ev->s_offset == ev->len)
159.{
160.// change to receive event
161.EventDel(g_epollFd, ev);
162.EventSet(ev, fd, RecvData, ev);
163.EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, ev);
164.}
165.}
166.else
167.{
168.close(ev->fd);
169.EventDel(g_epollFd, ev);
170.printf("send[fd=%d] error[%d]\n", fd, errno);
171.}
172.}
173.void InitListenSocket(int epollFd, short port)
174.{
175.int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
176.fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking 177.printf("server listen fd=%d\n", listenFd);
178.EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVENTS]);
179.// add listen socket
180.EventAdd(epollFd, EPOLLIN, &g_Events[MAX_EVENTS]);
181.// bind & listen
182.sockaddr_in sin;
183.bzero(&sin, sizeof(sin));
184.sin.sin_family = AF_INET;
185.sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
186.sin.sin_port = htons(port);
187.bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin));
188.listen(listenFd, 5);
189.}
190.int main(int argc, char **argv)
191.{
192.unsigned short port = 12345; // default port
193.if(argc == 2){
194.port = atoi(argv[1]);
195.}
196.// create epoll
197.g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS);
198.if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d\n", g_epollFd); 199.// create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking 200.InitListenSocket(g_epollFd, port);
201.// event loop
202.struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
203.printf("server running:port[%d]\n", port);
204.int checkPos = 0;
205.while(1){
206.// a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event
207.long now = time(NULL);
208.for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd
209.{
210.if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle
211.if(g_Events[checkPos].status != 1) continue;
212.long duration = now - g_Events[checkPos].last_active;
213.if(duration >= 60) // 60s timeout
214.{
215.close(g_Events[checkPos].fd);
216.printf("[fd=%d] timeout[%d--%d].\n", g_Events[checkPos].fd, g_Events[checkPos].last_active, now);
217.EventDel(g_epollFd, &g_Events[checkPos]);
218.}
219.}
220.// wait for events to happen
221.int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000);
222.if(fds < 0){
223.printf("epoll_wait error, exit\n");
224.break;
225.}
226.for(int i = 0; i < fds; i++){
227.myevent_s *ev = (struct myevent_s*)events[i].data.ptr;
228.if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN)) // read event 229.{
230.ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
231.}
232.if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT)) // write event 233.{
234.ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
235.}
236.}
237.}
238.// free resource
239.return 0; 240.}。