IO多路復用之epoll全面總結(必看篇)

2024-09-01 13:49:48

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供稿：網友

1、基本知識

epoll是在2.6內核中提出的，是之前的select和poll的增強版本。相對于select和poll來說，epoll更加靈活，沒有描述符限制。epoll使用一個文件描述符管理多個描述符，將用戶關系的文件描述符的事件存放到內核的一個事件表中，這樣在用戶空間和內核空間的copy只需一次。

2、epoll接口

epoll操作過程需要三個接口，分別如下：

#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);

創建一個epoll的句柄，size用來告訴內核這個監聽的數目一共有多大。這個參數不同于select()中的第一個參數，給出最大監聽的fd+1的值。需要注意的是，當創建好epoll句柄后，它就是會占用一個fd值，在linux下如果查看/proc/進程id/fd/，是能夠看到這個fd的，所以在使用完epoll后，必須調用close()關閉，否則可能導致fd被耗盡。

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

epoll的事件注冊函數，它不同與select()是在監聽事件時告訴內核要監聽什么類型的事件epoll的事件注冊函數，它不同與select()是在監聽事件時告訴內核要監聽什么類型的事件，而是在這里先注冊要監聽的事件類型。第一個參數是epoll_create()的返回值，第二個參數表示動作，用三個宏來表示：

EPOLL_CTL_ADD：注冊新的fd到epfd中；
EPOLL_CTL_MOD：修改已經注冊的fd的監聽事件；
EPOLL_CTL_DEL：從epfd中刪除一個fd；

第三個參數是需要監聽的fd，第四個參數是告訴內核需要監聽什么事，struct epoll_event結構如下：

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

events可以是以下幾個宏的集合：

EPOLLIN ：表示對應的文件描述符可以讀（包括對端SOCKET正常關閉）；

EPOLLOUT：表示對應的文件描述符可以寫；

EPOLLPRI：表示對應的文件描述符有緊急的數據可讀（這里應該表示有帶外數據到來）；

EPOLLERR：表示對應的文件描述符發生錯誤；

EPOLLHUP：表示對應的文件描述符被掛斷；

EPOLLET：將EPOLL設為邊緣觸發(Edge Triggered)模式，這是相對于水平觸發(Level Triggered)來說的。

EPOLLONESHOT：只監聽一次事件，當監聽完這次事件之后，如果還需要繼續監聽這個socket的話，需要再次把這個socket加入到EPOLL隊列里

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

等待事件的產生，類似于select()調用。參數events用來從內核得到事件的集合，maxevents告之內核這個events有多大，這個maxevents的值不能大于創建epoll_create()時的size，參數timeout是超時時間（毫秒，0會立即返回，-1將不確定，也有說法說是永久阻塞）。該函數返回需要處理的事件數目，如返回0表示已超時。

3、工作模式

epoll對文件描述符的操作有兩種模式：LT（level trigger）和ET（edge trigger）。LT模式是默認模式，LT模式與ET模式的區別如下：

LT模式：當epoll_wait檢測到描述符事件發生并將此事件通知應用程序，應用程序可以不立即處理該事件。下次調用epoll_wait時，會再次響應應用程序并通知此事件。

ET模式：當epoll_wait檢測到描述符事件發生并將此事件通知應用程序，應用程序必須立即處理該事件。如果不處理，下次調用epoll_wait時，不會再次響應應用程序并通知此事件。

ET模式在很大程度上減少了epoll事件被重復觸發的次數，因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的時候，必須使用非阻塞套接口，以避免由于一個文件句柄的阻塞讀/阻塞寫操作把處理多個文件描述符的任務餓死。

4、測試程序

編寫一個服務器回射程序echo，練習epoll過程。

服務器代碼如下所示：

#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//函數聲明//創建套接字并進行綁定static int socket_bind(const char* ip,int port);//IO多路復用epollstatic void do_epoll(int listenfd);//事件處理函數static voidhandle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int listenfd,char *buf);//處理接收到的連接static void handle_accpet(int epollfd,int listenfd);//讀處理static void do_read(int epollfd,int fd,char *buf);//寫處理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);//刪除事件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);  //創建一個描述符  epollfd = epoll_create(FDSIZE);  //添加監聽描述符事件  add_event(epollfd,listenfd,EPOLLIN);  for ( ; ; )  {    //獲取已經準備好的描述符事件    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;  //進行選好遍歷  for (i = 0;i < num;i++)  {    fd = events[i].data.fd;    //根據描述符的類型和事件類型進行處理    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);    //添加一個客戶描述符和事件    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);    //修改描述符對應的事件，由讀改為寫    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);}

客戶端也用epoll實現，控制STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO、和sockfd三個描述符，程序如下所示：

#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 20static 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));  //處理連接  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);    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、測試結果

io多路復用,epoll