文章目錄
一、epoll原理詳解
二、epoll的兩種觸發模式
三、epoll反應堆模型
四、支撐億級io的底層基石 epoll實戰揭祕講解：網絡io，epoll的視頻講解
設想一個場景：有100萬用戶同時與一個進程保持着TCP連接，而每一時刻只有幾十個或幾百個TCP連接是活躍的(接收TCP包)，也就是說在每一時刻進程只需要處理這100萬連接中的一小部分連接。那麼，如何才能高效的處理這種場景呢？進程是否在每次詢問操作系統收集有事件發生的TCP連接時，把這100萬個連接告訴操作系統，然後由操作系統找出其中有事件發生的幾百個連接呢？實際上，在Linux2.4版本以前，那時的select或者poll事件驅動方式是這樣做的。
這裏有個非常明顯的問題，即在某一時刻，進程收集有事件的連接時，其實這100萬連接中的大部分都是沒有事件發生的。因此如果每次收集事件時，都把100萬連接的套接字傳給操作系統(這首先是用戶態內存到內核態內存的大量複製)，而由操作系統內核尋找這些連接上有沒有未處理的事件，將會是巨大的資源浪費，然後select和poll就是這樣做的，因此它們最多隻能處理幾千個併發連接。而epoll不這樣做，它在Linux內核中申請了一個簡易的文件系統，把原先的一個select或poll調用分成了3部分：
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. 調用epoll_create建立一個epoll對象(在epoll文件系統中給這個句柄分配資源)；
2. 調用epoll_ctl向epoll對象中添加這100萬個連接的套接字；
3. 調用epoll_wait收集發生事件的連接。
這樣只需要在進程啓動時建立1個epoll對象，並在需要的時候向它添加或刪除連接就可以了，因此，在實際收集事件時，epoll_wait的效率就會非常高，因爲調用epoll_wait時並沒有向它傳遞這100萬個連接，內核也不需要去遍歷全部的連接。
一、epoll原理詳解
當某一進程調用epoll_create方法時，Linux內核會創建一個eventpoll結構體，這個結構體中有兩個成員與epoll的使用方式密切相關，如下所示：
struct eventpoll {
...
/*紅黑樹的根節點，這棵樹中存儲着所有添加到epoll中的事件，
也就是這個epoll監控的事件*/
struct rb_root rbr;
/*雙向鏈表rdllist保存着將要通過epoll_wait返回給用戶的、滿足條件的事件*/
struct list_head rdllist;
...
};
我們在調用epoll_create時，內核除了幫我們在epoll文件系統裏建了個file結點，在內核cache裏建了個紅黑樹用於存儲以後epoll_ctl傳來的socket外，還會再建立一個rdllist雙向鏈表，用於存儲準備就緒的事件，當epoll_wait調用時，僅僅觀察這個rdllist雙向鏈表裏有沒有數據即可。有數據就返回，沒有數據就sleep，等到timeout時間到後即使鏈表沒數據也返回。所以，epoll_wait非常高效。
所有添加到epoll中的事件都會與設備(如網卡)驅動程序建立回調關係，也就是說相應事件的發生時會調用這裏的回調方法。這個回調方法在內核中叫做ep_poll_callback，它會把這樣的事件放到上面的rdllist雙向鏈表中。
在epoll中對於每一個事件都會建立一個epitem結構體，如下所示：
struct epitem {
...
//紅黑樹節點
struct rb_node rbn;
//雙向鏈表節點
struct list_head rdllink;
//事件句柄等信息
struct epoll_filefd ffd;
//指向其所屬的eventepoll對象
struct eventpoll *ep;
//期待的事件類型
struct epoll_event event;
...
}; // 這裏包含每一個事件對應着的信息。
當調用epoll_wait檢查是否有發生事件的連接時，只是檢查eventpoll對象中的rdllist雙向鏈表是否有epitem元素而已，如果rdllist鏈表不爲空，則這裏的事件複製到用戶態內存（使用共享內存提高效率）中，同時將事件數量返回給用戶。因此epoll_waitx效率非常高。epoll_ctl在向epoll對象中添加、修改、刪除事件時，從rbr紅黑樹中查找事件也非常快，也就是說epoll是非常高效的，它可以輕易地處理百萬級別的併發連接。
【總結】：
一顆紅黑樹，一張準備就緒句柄鏈表，少量的內核cache，就幫我們解決了大併發下的socket處理問題。
執行epoll_create()時，創建了紅黑樹和就緒鏈表；
執行epoll_ctl()時，如果增加socket句柄，則檢查在紅黑樹中是否存在，存在立即返回，不存在則添加到樹幹上，然後向內核註冊回調函數，用於當中斷事件來臨時向準備就緒鏈表中插入數據；
執行epoll_wait()時立刻返回準備就緒鏈表裏的數據即可。
二、epoll的兩種觸發模式
epoll有EPOLLLT和EPOLLET兩種觸發模式，LT是默認的模式，ET是“高速”模式。
LT（水平觸發）模式下，只要這個文件描述符還有數據可讀，每次 epoll_wait都會返回它的事件，提醒用戶程序去操作；
ET（邊緣觸發）模式下，在它檢測到有 I/O 事件時，通過 epoll_wait 調用會得到有事件通知的文件描述符，對於每一個被通知的文件描述符，如可讀，則必須將該文件描述符一直讀到空，讓 errno 返回 EAGAIN 爲止，否則下次的 epoll_wait 不會返回餘下的數據，會丟掉事件。如果ET模式不是非阻塞的，那這個一直讀或一直寫勢必會在最後一次阻塞。
還有一個特點是，epoll使用“事件”的就緒通知方式，通過epoll_ctl註冊fd，一旦該fd就緒，內核就會採用類似callback的回調機制來激活該fd，epoll_wait便可以收到通知。
【epoll爲什麼要有EPOLLET觸發模式？】：
如果採用EPOLLLT模式的話，系統中一旦有大量你不需要讀寫的就緒文件描述符，它們每次調用epoll_wait都會返回，這樣會大大降低處理程序檢索自己關心的就緒文件描述符的效率.。而採用EPOLLET這種邊緣觸發模式的話，當被監控的文件描述符上有可讀寫事件發生時，epoll_wait()會通知處理程序去讀寫。如果這次沒有把數據全部讀寫完(如讀寫緩衝區太小)，那麼下次調用epoll_wait()時，它不會通知你，也就是它只會通知你一次，直到該文件描述符上出現第二次可讀寫事件纔會通知你！！！這種模式比水平觸發效率高，系統不會充斥大量你不關心的就緒文件描述符。
【總結】：
ET模式（邊緣觸發）只有數據到來才觸發，不管緩存區中是否還有數據，緩衝區剩餘未讀盡的數據不會導致epoll_wait返回；
LT 模式（水平觸發，默認）只要有數據都會觸發，緩衝區剩餘未讀盡的數據會導致epoll_wait返回。
三、epoll反應堆模型
【epoll模型原來的流程】：
epoll_create(); // 創建監聽紅黑樹
epoll_ctl(); // 向書上添加監聽fd
epoll_wait(); // 監聽
有監聽fd事件發送--->返回監聽滿足數組--->判斷返回數組元素--->
lfd滿足accept--->返回cfd---->read()讀數據--->write()給客戶端迴應。
【epoll反應堆模型的流程】：
epoll_create(); // 創建監聽紅黑樹
epoll_ctl(); // 向書上添加監聽fd
epoll_wait(); // 監聽
有客戶端連接上來--->lfd調用acceptconn()--->將cfd掛載到紅黑樹上監聽其讀事件--->
epoll_wait()返回cfd--->cfd回調recvdata()--->將cfd摘下來監聽寫事件--->
epoll_wait()返回cfd--->cfd回調senddata()--->將cfd摘下來監聽讀事件--->...--->
【Demo】：
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#define MAX_EVENTS 1024 /*監聽上限*/
#define BUFLEN 4096 /*緩存區大小*/
#define SERV_PORT 6666 /*端口號*/
void recvdata(int fd,int events,void *arg);
void senddata(int fd,int events,void *arg);
/*描述就緒文件描述符的相關信息*/
struct myevent_s
{
int fd; //要監聽的文件描述符
int events; //對應的監聽事件，EPOLLIN和EPLLOUT
void *arg; //指向自己結構體指針
void (*call_back)(int fd,int events,void *arg); //回調函數
int status; //是否在監聽:1->在紅黑樹上(監聽), 0->不在(不監聽)
char buf[BUFLEN];
int len;
long last_active; //記錄每次加入紅黑樹 g_efd 的時間值
};
int g_efd; //全局變量，作爲紅黑樹根
struct myevent_s g_events[MAX_EVENTS+1]; //自定義結構體類型數組. +1-->listen fd
/*
* 封裝一個自定義事件，包括fd，這個fd的回調函數，還有一個額外的參數項
* 注意：在封裝這個事件的時候，爲這個事件指明瞭回調函數，一般來說，一個fd只對一個特定的事件
* 感興趣，當這個事件發生的時候，就調用這個回調函數
*/
void eventset(struct myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int fd,int events,void *arg), void *arg)
{
ev->fd = fd;
ev->call_back = call_back;
ev->events = 0;
ev->arg = arg;
ev->status = 0;
if(ev->len <= 0)
{
memset(ev->buf, 0, sizeof(ev->buf));
ev->len = 0;
}
ev->last_active = time(NULL); //調用eventset函數的時間
return;
}
/* 向 epoll監聽的紅黑樹 添加一個文件描述符 */
void eventadd(int efd, int events, struct myevent_s *ev)
{
struct epoll_event epv={0, {0}};
int op = 0;
epv.data.ptr = ev; // ptr指向一個結構體（之前的epoll模型紅黑樹上掛載的是文件描述符cfd和lfd，現在是ptr指針）
epv.events = ev->events = events; //EPOLLIN 或 EPOLLOUT
if(ev->status == 0) //status 說明文件描述符是否在紅黑樹上 0不在，1 在
{
op = EPOLL_CTL_ADD; //將其加入紅黑樹 g_efd, 並將status置1
ev->status = 1;
}
if(epoll_ctl(efd, op, ev->fd, &epv) < 0) // 添加一個節點
printf("event add failed [fd=%d],events[%d]\n", ev->fd, events);
else
printf("event add OK [fd=%d],events[%0X]\n", ev->fd, events);
return;
}
/* 從epoll 監聽的 紅黑樹中刪除一個文件描述符*/
void eventdel(int efd,struct myevent_s *ev)
{
struct epoll_event epv = {0, {0}};
if(ev->status != 1) //如果fd沒有添加到監聽樹上，就不用刪除，直接返回
return;
epv.data.ptr = NULL;
ev->status = 0;
epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);
return;
}
/* 當有文件描述符就緒, epoll返回, 調用該函數與客戶端建立鏈接 */
void acceptconn(int lfd,int events,void *arg)
{
struct sockaddr_in cin;
socklen_t len = sizeof(cin);
int cfd, i;
if((cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cin, &len)) == -1)
{
if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)
{
sleep(1);
}
printf("%s:accept,%s\n",__func__, strerror(errno));
return;
}
do
{
for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++) //從全局數組g_events中找一個空閒元素，類似於select中找值爲-1的元素
{
if(g_events[i].status ==0)
break;
}
if(i == MAX_EVENTS) // 超出連接數上限
{
printf("%s: max connect limit[%d]\n", __func__, MAX_EVENTS);
break;
}
int flag = 0;
if((flag = fcntl(cfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0) //將cfd也設置爲非阻塞
{
printf("%s: fcntl nonblocking failed, %s\n", __func__, strerror(errno));
break;
}
eventset(&g_events[i], cfd, recvdata, &g_events[i]); //找到合適的節點之後，將其添加到監聽樹中，並監聽讀事件
eventadd(g_efd, EPOLLIN, &g_events[i]);
}while(0);
printf("new connect[%s:%d],[time:%ld],pos[%d]",inet_ntoa(cin.sin_addr), ntohs(cin.sin_port), g_events[i].last_active, i);
return;
}
/*讀取客戶端發過來的數據的函數*/
void recvdata(int fd, int events, void *arg)
{
struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)arg;
int len;
len = recv(fd, ev->buf, sizeof(ev->buf), 0); //讀取客戶端發過來的數據
eventdel(g_efd, ev); //將該節點從紅黑樹上摘除
if (len > 0)
{
ev->len = len;
ev->buf[len] = '\0'; //手動添加字符串結束標記
printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buf);
eventset(ev, fd, senddata, ev); //設置該fd對應的回調函數爲senddata
eventadd(g_efd, EPOLLOUT, ev); //將fd加入紅黑樹g_efd中,監聽其寫事件
}
else if (len == 0)
{
close(ev->fd);
/* ev-g_events 地址相減得到偏移元素位置 */
printf("[fd=%d] pos[%ld], closed\n", fd, ev-g_events);
}
else
{
close(ev->fd);
printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno));
}
return;
}
/*發送給客戶端數據*/
void senddata(int fd, int events, void *arg)
{
struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)arg;
int len;
len = send(fd, ev->buf, ev->len, 0); //直接將數據回射給客戶端
eventdel(g_efd, ev); //從紅黑樹g_efd中移除
if (len > 0)
{
printf("send[fd=%d], [%d]%s\n", fd, len, ev->buf);
eventset(ev, fd, recvdata, ev); //將該fd的回調函數改爲recvdata
eventadd(g_efd, EPOLLIN, ev); //重新添加到紅黑樹上，設爲監聽讀事件
}
else
{
close(ev->fd); //關閉鏈接
printf("send[fd=%d] error %s\n", fd, strerror(errno));
}
return ;
}
/*創建 socket, 初始化lfd */
void initlistensocket(int efd, short port)
{
struct sockaddr_in sin;
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
fcntl(lfd, F_SETFL, O_NONBLOCK); //將socket設爲非阻塞
memset(&sin, 0, sizeof(sin)); //bzero(&sin, sizeof(sin))
sin.sin_family = AF_INET;
sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
sin.sin_port = htons(port);
bind(lfd, (struct sockaddr *)&sin, sizeof(sin));
listen(lfd, 20);
/* void eventset(struct myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void *), void *arg); */
eventset(&g_events[MAX_EVENTS], lfd, acceptconn, &g_events[MAX_EVENTS]);
/* void eventadd(int efd, int events, struct myevent_s *ev) */
eventadd(efd, EPOLLIN, &g_events[MAX_EVENTS]); //將lfd添加到監聽樹上，監聽讀事件
return;
}
int main()
{
int port=SERV_PORT;
g_efd = epoll_create(MAX_EVENTS + 1); //創建紅黑樹,返回給全局 g_efd
if(g_efd <= 0)
printf("create efd in %s err %s\n", __func__, strerror(errno));
initlistensocket(g_efd, port); //初始化監聽socket
struct epoll_event events[MAX_EVENTS + 1]; //定義這個結構體數組，用來接收epoll_wait傳出的滿足監聽事件的fd結構體
printf("server running:port[%d]\n", port);
int checkpos = 0;
int i;
while(1)
{
/* long now = time(NULL);
for(i=0; i < 100; i++, checkpos++)
{
if(checkpos == MAX_EVENTS);
checkpos = 0;
if(g_events[checkpos].status != 1)
continue;
long duration = now -g_events[checkpos].last_active;
if(duration >= 60)
{
close(g_events[checkpos].fd);
printf("[fd=%d] timeout\n", g_events[checkpos].fd);
eventdel(g_efd, &g_events[checkpos]);
}
} */
//調用eppoll_wait等待接入的客戶端事件,epoll_wait傳出的是滿足監聽條件的那些fd的struct epoll_event類型
int nfd = epoll_wait(g_efd, events, MAX_EVENTS+1, 1000);
if (nfd < 0)
{
printf("epoll_wait error, exit\n");
exit(-1);
}
for(i = 0; i < nfd; i++)
{
//evtAdd()函數中，添加到監聽樹中監聽事件的時候將myevents_t結構體類型給了ptr指針
//這裏epoll_wait返回的時候，同樣會返回對應fd的myevents_t類型的指針
struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)events[i].data.ptr;
//如果監聽的是讀事件，並返回的是讀事件
if((events[i].events & EPOLLIN) &&(ev->events & EPOLLIN))
{
ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
}
//如果監聽的是寫事件，並返回的是寫事件
if((events[i].events & EPOLLOUT) && (ev->events & EPOLLOUT))
{
ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
}
}
}
return 0;
}
四、支撐億級io的底層基石 epoll實戰揭祕
支撐億級io的底層基石 epoll實戰揭祕|epoll是什麼？|epoll用在什麼地方|項目實戰|專業講解|
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