1.簡介
Linux I/O多路複用技術在比較多的TCP網絡服務器中有使用，即比較多的用到select函數。Linux 2.6內核中有提高網絡I/O性能的新方法，即epoll 。 epoll是什麼？按照man手冊的說法是爲處理大批量句柄而作了改進的poll。要使用epoll只需要以下的三個系統函數調用： epoll_create(2)，epoll_ctl(2)，epoll_wait(2)。
2.select模型的缺陷
(1) 在Linux內核中，select所用到的FD_SET是有限的
內核中有個參數__FD_SETSIZE定義了每個FD_SET的句柄個數：#define __FD_SETSIZE 1024。也就是說，如果想要同時檢測1025個句柄的可讀狀態是不可能用select實現的；或者同時檢測1025個句柄的可寫狀態也是不可能的。
(2) 內核中實現select是使用輪詢方法
每次檢測都會遍歷所有FD_SET中的句柄，顯然select函數的執行時間與FD_SET中句柄的個數有一個比例關係，即select要檢測的句柄數越多就會越費時
3.Windows IOCP模型的缺陷
windows完成端口實現的AIO，實際上也只是使用內部用線程池實現的，最後的結果是IO有個線程池，你的應用程序也需要一個線程池。很多文檔其實已經指出了這引發的線程context-switch所帶來的代價。
4.EPOLL模型的優點
(1) 支持一個進程打開大數目的socket描述符(FD)
epoll沒有select模型中的限制，它所支持的FD上限是最大可以打開文件的數目，這個數字一般遠大於select 所支持的2048
(2) IO效率不隨FD數目增加而線性下降
傳統select/poll的另一個致命弱點就是當你擁有一個很大的socket集合，由於網絡得延時，使得任一時間只有部分的socket是"活躍"的，而select/poll每次調用都會線性掃描全部的集合，導致效率呈現線性下降。但是epoll不存在這個問題，它只會對"活躍"的socket進行操作：這是因爲在內核實現中epoll是根據每個fd上面的callback函數實現的。於是，只有"活躍"的socket纔會主動去調用callback函數，其他idle狀態的socket則不會。在這點上，epoll實現了一個"僞"AIO"，因爲這時候推動力在os內核。在一些
benchmark中，如果所有的socket基本上都是活躍的，比如一個高速LAN環境，epoll也不比select/poll低多少效率，但若過多使用的調用epoll_ctl，效率稍微有些下降。然而一旦使用idle connections模擬WAN環境，那麼epoll的效率就遠在select/poll之上了。
(3) 使用mmap加速內核與用戶空間的消息傳遞
無論是select,poll還是epoll都需要內核把FD消息通知給用戶空間，如何避免不必要的內存拷貝就顯得很重要。在這點上，epoll是通過內核於用戶空間mmap同一塊內存實現。
5.EPOLL模型的工作模式
(1) LT模式
LT：level triggered，這是缺省的工作方式，同時支持block和no-block socket，在這種模式中，內核告訴你一個文件描述符是否就緒了，然後你可以對這個就緒的fd進行IO操作。如果你不作任何操作，內核還是會繼續通知你的，所以，這種模式編程出錯誤可能性要小一點。傳統的select/poll都是這種模型的代表。
(2) ET模式
LT：edge-triggered，這是高速工作方式，只支持no-block socket。在這種模式下，當描述符從未就緒變爲就緒時，內核就通過epoll告訴你，然後它會假設你知道文件描述符已經就緒，並且不會再爲那個文件描述符發送更多的就緒通知，直到你做了某些操作而導致那個文件描述符不再是就緒狀態(比如你在發送，接收或是接受請求，或者發送接收的數據少於一定量時導致了一個EWOULDBLOCK 錯誤)。但是請注意，如果一直不對這個fd作IO操作(從而導致它再次變成未就緒)，內核就不會發送更多的通知(only
once)。不過在TCP協議中，ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark確認。
6.EPOLL模型的使用方法
epoll用到的所有函數都是在頭文件sys/epoll.h中聲明的，下面簡要說明所用到的數據結構和函數：
(1) epoll_data、epoll_data_t、epoll_event
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 */
};
結構體epoll_event 被用於註冊所感興趣的事件和回傳所發生待處理的事件。epoll_event 結構體的events字段是表示感興趣的事件和被觸發的事件，可能的取值爲：
EPOLLIN： 表示對應的文件描述符可以讀；
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；
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： 表示對應的文件描述符有事件發生；
聯合體epoll_data用來保存觸發事件的某個文件描述符相關的數據。例如一個client連接到服務器，服務器通過調用accept函數可以得到於這個client對應的socket文件描述符，可以把這文件描述符賦給epoll_data的fd字段，以便後面的讀寫操作在這個文件描述符上進行。
(2)epoll_create
函數聲明：intepoll_create(intsize)
函數說明：該函數生成一個epoll專用的文件描述符，其中的參數是指定生成描述符的最大範圍。
(3) epoll_ctl函數
函數聲明：intepoll_ctl(int epfd,int op, int fd, struct epoll_event *event)
函數說明：該函數用於控制某個文件描述符上的事件，可以註冊事件、修改事件、刪除事件。
epfd：由 epoll_create 生成的epoll專用的文件描述符；
op：要進行的操作，可能的取值EPOLL_CTL_ADD 註冊、EPOLL_CTL_MOD 修改、EPOLL_CTL_DEL 刪除；
fd：關聯的文件描述符；
event：指向epoll_event的指針；
如果調用成功則返回0，不成功則返回-1。
(4) epoll_wait函數
函數聲明：int epoll_wait(int epfd, structepoll_event * events, int maxevents, int timeout)
函數說明：該函數用於輪詢I/O事件的發生。
epfd：由epoll_create 生成的epoll專用的文件描述符；
epoll_event：用於回傳代處理事件的數組；
maxevents：每次能處理的事件數；
timeout：等待I/O事件發生的超時值；
返回發生事件數。
設計思路：
首先通過create_epoll(int maxfds)來創建一個epoll的句柄，其中maxfds爲你的epoll所支持的最大句柄數。這個函數會返回一個新的epoll句柄，之後的所有操作都將通過這個句柄來進行操作。在用完之後，記得用close()來關閉這個創建出來的epoll句柄。
然後在你的網絡主循環裏面，調用epoll_wait(int epfd, epoll_event events, int max_events,int timeout)來查詢所有的網絡接口，看哪一個可以讀，哪一個可以寫。基本的語法爲：
nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1);
其中kdpfd爲用epoll_create創建之後的句柄，events是一個epoll_event*的指針，當epoll_wait函數操作成功之後，events裏面將儲存所有的讀寫事件。max_events是當前需要監聽的所有socket句柄數。最後一個timeout參數指示 epoll_wait的超時條件，爲0時表示馬上返回；爲-1時表示函數會一直等下去直到有事件返回；爲任意正整數時表示等這麼長的時間，如果一直沒有事件，則會返回。一般情況下如果網絡主循環是單線程的話，可以用-1來等待，這樣可以保證一些效率，如果是和主循環在同一個線程的話，則可以用0來保證主循環的效率。epoll_wait返回之後，應該進入一個循環，以便遍歷所有的事件。
對epoll 的操作就這麼簡單，總共不過4個API：epoll_create, epoll_ctl,epoll_wait和close。以下是man中的一個例子。
struct epoll_event ev, *events;
for(;;)
{
nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1); //等待IO事件
for(n = 0; n < nfds; ++n)
{
//如果是主socket的事件，則表示有新連接進入，需要進行新連接的處理。
if(events[n].data.fd == listener)
{
client = accept(listener, (struct sockaddr *) &local, &addrlen);
if(client < 0)
{
perror("accept error");
continue;
}
// 將新連接置於非阻塞模式
setnonblocking(client);
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
//注意這裏的參數EPOLLIN | EPOLLET並沒有設置對寫socket的監聽，
//如果有寫操作的話，這個時候epoll是不會返回事件的，
//如果要對寫操作也監聽的話，應該是EPOLLIN | EPOLLOUT | EPOLLET。
// 並且將新連接也加入EPOLL的監聽隊列
ev.data.fd = client;
// 設置好event之後，將這個新的event通過epoll_ctl
if (epoll_ctl(kdpfd, EPOLL_CTL_ADD, client, &ev) < 0)
{
//加入到epoll的監聽隊列裏，這裏用EPOLL_CTL_ADD
//來加一個新的 epoll事件。可以通過EPOLL_CTL_DEL來減少
//一個epoll事件，通過EPOLL_CTL_MOD來改變一個事件的監聽方式。
fprintf(stderr, "epoll set insertion error: fd=%d"0, client);
return -1;
}
}
else
// 如果不是主socket的事件的話，則代表這是一個用戶的socket的事件，
// 則用來處理這個用戶的socket的事情是，比如說read(fd,xxx)之類，或者一些其他的處理。
do_use_fd(events[n].data.fd);
}
}
7.EPOLL模型的一個實例
#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#define MAXLINE 10
#define OPEN_MAX 100
#define LISTENQ 20
#define SERV_PORT 5555
#define INFTIM 1000
void setnonblocking(int sock)
{
int opts;
opts = fcntl(sock, F_GETFL);
if(opts < 0)
{
perror("fcntl(sock, GETFL)");
exit(1);
}
opts = opts | O_NONBLOCK;
if(fcntl(sock, F_SETFL, opts) < 0)
{
perror("fcntl(sock,SETFL,opts)");
exit(1);
}
}
int main()
{
int i, maxi, listenfd, connfd, sockfd, epfd, nfds;
ssize_t n;
char line[MAXLINE];
socklen_t clilen;
//聲明epoll_event結構體的變量, ev用於註冊事件, events數組用於回傳要處理的事件
struct epoll_event ev,events[20];
//生成用於處理accept的epoll專用的文件描述符, 指定生成描述符的最大範圍爲256
epfd = epoll_create(256);
struct sockaddr_in clientaddr;
struct sockaddr_in serveraddr;
listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
setnonblocking(listenfd); //把用於監聽的socket設置爲非阻塞方式
ev.data.fd = listenfd; //設置與要處理的事件相關的文件描述符
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; //設置要處理的事件類型
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev); //註冊epoll事件
bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr));
serveraddr.sin_family = AF_INET;
char *local_addr = "200.200.200.204";
inet_aton(local_addr, &(serveraddr.sin_addr));
serveraddr.sin_port = htons(SERV_PORT); //或者htons(SERV_PORT);
bind(listenfd,(sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr));
listen(listenfd, LISTENQ);
maxi = 0;
for( ; ; )
{
nfds = epoll_wait(epfd, events, 20, 500); //等待epoll事件的發生
for(i = 0; i < nfds; ++i) //處理所發生的所有事件
{
if(events[i].data.fd == listenfd) //監聽事件
{
connfd = accept(listenfd, (sockaddr *)&clientaddr, &clilen);
if(connfd < 0)
{
perror("connfd<0");
exit(1);
}
setnonblocking(connfd); //把客戶端的socket設置爲非阻塞方式
char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr);
std::cout << "connect from " << str <<std::endl;
ev.data.fd=connfd; //設置用於讀操作的文件描述符
ev.events=EPOLLIN | EPOLLET; //設置用於注測的讀操作事件
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &ev);
//註冊ev事件
}
else if(events[i].events&EPOLLIN) //讀事件
{
if ( (sockfd = events[i].data.fd) < 0)
{
continue;
}
if ( (n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0) // 這裏和IOCP不同
{
if (errno == ECONNRESET)
{
close(sockfd);
events[i].data.fd = -1;
}
else
{
std::cout<<"readline error"<<std::endl;
}
}
else if (n == 0)
{
close(sockfd);
events[i].data.fd = -1;
}
ev.data.fd=sockfd; //設置用於寫操作的文件描述符
ev.events=EPOLLOUT | EPOLLET; //設置用於注測的寫操作事件
//修改sockfd上要處理的事件爲EPOLLOUT
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, sockfd, &ev);
}
else if(events[i].events&EPOLLOUT)//寫事件
{
sockfd = events[i].data.fd;
write(sockfd, line, n);
ev.data.fd = sockfd; //設置用於讀操作的文件描述符
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; //設置用於註冊的讀操作事件
//修改sockfd上要處理的事件爲EPOLIN
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, sockfd, &ev);
}
}
}
}
8.EPOLL進階思考
8.1. 問題來源
最近學習EPOLL模型，介紹中說將EPOLL與Windows IOCP模型進行比較，說其的優勢在於解決了IOCP模型大量線程上下文切換的開銷，於是可以看出，EPOLL模型不需要多線程，即單線程中可以處理EPOLL邏輯。如果引入多線程反而會引起一些問題。但是EPOLL模型的服務器端到底可以不可以用多線程技術，如果可以，改怎麼取捨，這成了困擾我的問題。上網查了一下，有這樣幾種聲音：
(1) “要麼事件驅動(如epoll)，要麼多線程，要麼多進程，把這幾個綜合起來使用，感覺更加麻煩。”；
(2) “單線程使用epoll，但是不能發揮多核；多線程不用epoll。”；
(3) “主通信線程使用epoll所有需要監控的FD，有事件交給多線程去處理”；
(4) “既然用了epoll, 那麼線程就不應該看到fd, 而只看到的是一個一個的業務請求/響應； epoll將網絡數據組裝成業務數據後, 轉交給業務線程進行處理。這就是常說的半同步半異步”。
我比較贊同上述(3)、(4)中的觀點
EPOLLOUT只有在緩衝區已經滿了，不可以發送了，過了一會兒緩衝區中有空間了，就會觸發EPOLLOUT，而且只觸發一次。如果你編寫的程序的網絡IO不大，一次寫入的數據不多的時候，通常都是epoll_wait立刻就會觸發 EPOLLOUT；如果你不調用 epoll，直接寫 socket，那麼情況就取決於這個socket的緩衝區是不是足夠了。如果緩衝區足夠，那麼寫就成功。如果緩衝區不足，那麼取決你的socket是不是阻塞的，要麼阻塞到寫完成，要麼出錯返回。所以EPOLLOUT事件具有較大的隨機性，ET模式一般只用於EPOLLIN,
很少用於EPOLLOUT。
8.2. 具體做法
(1) 主通信線程使用epoll所有需要監控的FD，負責監控listenfd和connfd，這裏只監聽EPOLLIN事件，不監聽EPOLLOUT事件；
(2) 一旦從Client收到了數據以後，將其構造成一個消息，放入消息隊列中；
(3) 若干工作線程競爭，從消息隊列中取出消息並進行處理，然後把處理結果發送給客戶端。發送客戶端的操作由工作線程完成。直接進行write。write到EAGAIN或EWOULDBLOCK後，線程循環continue等待緩衝區隊列
發送函數代碼如下：
bool send_data(int connfd, char *pbuffer, unsigned int &len,int flag)
{
if ((connfd < 0) || (0 == pbuffer))
{
return false;
}
int result = 0;
int remain_size = (int) len;
int send_size = 0;
const char *p = pbuffer;
time_t start_time = time(NULL);
int time_out = 3;
do
{
if (time(NULL) > start + time_out)
{
return false;
}
send_size = send(connfd, p, remain_size, flag);
if (nSentSize < 0)
{
if ((errno == EAGAIN) || (errno == EWOULDBLOCK) || (errno == EINTR))
{
continue;
}
else
{
len -= remain_size;
return false;
}
}
p += send_size;
remain_size -= send_size;
}while(remain_size > 0);
return true;
}
本篇文章來源於 Linux公社網站(www.linuxidc.com) 原文鏈接：http://www.linuxidc.com/Linux/2012-04/57876.htm
