epoll用法整理实现回声服务端

http://blog.csdn.net/chenxun_2010/article/details/50493481

1、epoll是什么？

epoll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，都是I/O多路复用(IO multiplexing)技术。

Linux下设计并发网络程序，常用的模型有：

Apache模型（Process Per Connection，简称PPC）

TPC（Thread PerConnection）模型

select模型和poll模型。

epoll模型

2、常用模型的缺点

PPC/TPC模型

这两种模型思想类似，就是让每一个到来的连接都有一个进程/线程来服务。这种模型的代价是它要时间和空间。连接较多时，进程/线程切换的开销比较大。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。

select模型

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。

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改大可能造成这些fd都超时了。

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。

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。

epoll的改进

对比其他模型的问题，epoll的改进如下：

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。

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。

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。

3、 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。

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，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]);

}

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 data variable

};

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。

使用epoll

epoll的API:

int epoll_create(int size);

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, structepoll_event *event);

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

int epoll_create(int size);

创建一个epoll的文件描述符，参数size告诉内核这个监听的数目共有多大。

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, structepoll_event *event);

epoll的事件注册函数。

参数epfd是epoll_create返回值。

参数op为

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

参数fd是需要监听文件描述符。

参数event是告诉内核需要监听什么事件。event->events的不同的值表示对应的文件描述符的不同事件：

EPOLLIN 可以读（包括对端Socket正常关闭）

EPOLLOUT 可以写

EPOLLPRI有紧急的数据可读（有带外数据OOB到来，TCP中的URG包）

EPOLLERR该文件描述符发生错误

EPOLLHUP该文件描述符被挂断

EPOLLET 将epoll设置为边缘触发（Edge Triggered）模式。

EPOLLONESHOT只监听一次事件，监听完之后，如果还想监听需要再次把该文件描述符加入到epoll队列中

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

等待事件的产生。

参数events用来从内核得到事件的集合

参数maxevents告之内核这个events有多大（maxevents不能大于size）

参数timeout是超时时间（毫秒）

epoll的模式：

LT模式：Level Triggered水平触发

这个是缺省的工作模式。同时支持block socket和non-block socket。内核会告诉程序员一个文件描述符是否就绪了。如果程序员不作任何操作，内核仍会通知。

ET模式：Edge Triggered 边缘触发

是一种高速模式。仅当状态发生变化的时候才获得通知。这种模式假定程序员在收到一次通知后能够完整地处理事件，于是内核不再通知这一事件。注意：缓冲区中还有未处理的数据不算状态变化，所以ET模式下程序员只读取了一部分数据就再也得不到通知了，正确的用法是程序员自己确认读完了所有的字节（一直调用read/write直到出错EAGAIN为止）。

一个例子：

[cpp] view plaincopy

#include <netdb.h>
#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>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
/*创建并绑定一个socket作为服务器。 */
static int create_and_bind (char *port){
struct addrinfo hints;
struct addrinfo *result, *rp;
int s, sfd;
memset (&hints, 0, sizeof (struct addrinfo));
hints.ai_family = AF_UNSPEC; /* Return IPv4 and IPv6 choices */
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM; /* 设置为STREAM模式，即TCP链接 */
hints.ai_flags = AI_PASSIVE; /* All interfaces */
s = getaddrinfo (NULL, port, &hints, &result);//获得本地主机的地址
if (s != 0){
fprintf (stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror (s));
return -1;
}
for (rp = result; rp != NULL; rp = rp->ai_next){//本地主机地址可能有多个，任意绑定一个即可
sfd = socket (rp->ai_family, rp->ai_socktype, rp->ai_protocol); //创建socket
if (sfd == -1)
continue;
s = bind (sfd, rp->ai_addr, rp->ai_addrlen); //并绑定socket
if (s == 0)
{
/* 绑定成功 */
break;
}
close (sfd);
}
if (rp == NULL){
fprintf (stderr, "Could not bind\n");
return -1;
}
freeaddrinfo (result);
return sfd;
}
/*
设置socket为非阻塞模式。
先get flag，或上O_NONBLOCK 再set flag。
*/
static int make_socket_non_blocking (int sfd) {
int flags, s;
flags = fcntl (sfd, F_GETFL, 0);
if (flags == -1){
perror ("fcntl");
return -1;
}
flags |= O_NONBLOCK;
s = fcntl (sfd, F_SETFL, flags);
if (s == -1){
perror ("fcntl");
return -1;
}
return 0;
}
#define MAXEVENTS 64
/*
用法： ./epoll_test 8080
*/
int main (int argc, char *argv[]) {
int sfd, s;
int efd;
struct epoll_event event;
struct epoll_event *events;
if (argc != 2) {
fprintf (stderr, "Usage: %s [port]\n", argv[0]);
exit (EXIT_FAILURE);
}
sfd = create_and_bind (argv[1]); //sfd为绑定后等待连接接入的文件描述符
s = make_socket_non_blocking (sfd);
s = listen (sfd, SOMAXCONN);
efd = epoll_create1 (0);
event.data.fd = sfd;
event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
s = epoll_ctl (efd, EPOLL_CTL_ADD, sfd, &event);
/* Buffer where events are returned，为events数组分配内存 */
events = (struct epoll_event*)calloc (MAXEVENTS, sizeof event);
/* The event loop 事件循环*/
while (1) {
int n, i;
n = epoll_wait (efd, events, MAXEVENTS, -1);
for (i = 0; i < n; i++) {
if ((events[i].events & EPOLLERR) || (events[i].events & EPOLLHUP) || (!(events[i].events & EPOLLIN))) {
/* 发生了错误或者被挂断，或者没有数据可读 An error has occured on this fd, or the socket is not ready for reading (why were we notified then?) */
fprintf (stderr, "epoll error\n");
close (events[i].data.fd);
continue;
}else if (sfd == events[i].data.fd) {//新连接
/* sfd上有数据可读，则表示有新连接
* We have a notification on the listening socket,
* which means one or more incoming connections. */
printf("Incoming connection !\n");
while (1) {
struct sockaddr in_addr;
socklen_t in_len;
int infd;
char hbuf[NI_MAXHOST], sbuf[NI_MAXSERV];
in_len = sizeof in_addr;
infd = accept (sfd, &in_addr, &in_len); //读取到来的连接socket fd。
if (infd == -1) {
if ((errno == EAGAIN) || (errno == EWOULDBLOCK)) {
/* 已经读完了sfd上的所有数据（所有连接）。最后一次读（非阻塞读）会返回EAGAIN（=EWOULDBLOCK）
* We have processed all incoming connections. */
break;
} else {
perror ("accept");
break;
}
}
s = getnameinfo (&in_addr, in_len, hbuf, sizeof hbuf, sbuf, sizeof sbuf, NI_NUMERICHOST | NI_NUMERICSERV);
if (s == 0) {
printf("Accepted connection on descriptor %d (host=%s, port=%s)\n", infd, hbuf, sbuf);
}
s = make_socket_non_blocking (infd); //设置socket为非阻塞模式
event.data.fd = infd; //将data部分设置为fd
event.events = EPOLLIN | EPOLLET; //监听EPOLLIN事件，使用边缘触发模式
s = epoll_ctl (efd, EPOLL_CTL_ADD, infd, &event);
}
continue;
} else
{//有客户端发来数据
/* 有客户端发来数据，因为处于ET模式，所以必须完全读取所有数据（要不然，剩下一部分数据后，就无法再收到内核通知了）。*/
int conn = events[i].data.fd;
if (conn < 0)
continue;
char recvbuf[1024] = {0};
int ret = read(conn, recvbuf, 1024);
if (ret == -1)
//ERR_EXIT("readline");
if (ret == 0)
{
printf("client close\n");
close(conn);
event = events[i];
epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_DEL, conn, &event);
//clients.erase(std::remove(clients.begin(), clients.end(), conn), clients.end());
}
fputs(recvbuf, stdout);
write(conn, recvbuf, strlen(recvbuf));
}
}
}
free (events);//释放内存
close (sfd); //关闭sfd
return EXIT_SUCCESS;
}

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