IO多路复用之epoll
1、基础
epoll是在2.6内核中提出的，是之前的select和poll的增强版本。相对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，采用了mmap机制减少内存拷贝。epoll完善了select，poll的不足之处，能支撑百万句柄的连接，但如果在少量连接情况下，性能并不一定比poll或select好。
2、API
#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);
创建一个epoll的句柄，size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。这个参数不同于select()中的第一个参数，给出最大监听的fd+1的值。需要注意的是，当创建好epoll句柄后，它就是会占用一个fd值，在linux下如果查看/proc/进程id/fd/，是能够看到这个fd的，所以在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽。
（2）int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
epoll的事件注册函数，它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件epoll的事件注册函数，它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件，而是在这里先注册要监听的事件类型。第一个参数是epoll_create()的返回值，第二个参数表示动作，用三个宏来表示：
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；
第三个参数是需要监听的fd，第四个参数是告诉内核需要监听什么事，struct epoll_event结构如下：
struct epoll_event {
__uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};
events可以是以下几个宏的集合：
EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；
EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写；
EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；
EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；
EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断；
EPOLLET： 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的，fd默认是使用LT模式。
EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里
（3） int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
等待事件的产生，类似于select()调用。参数events用来从内核得到事件的集合，maxevents告之内核这个events有多大，这个maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size，参数timeout是超时时间（毫秒，0会立即返回，-1将不确定，也有说法说是永久阻塞）。该函数返回需要处理的事件数目，如返回0表示已超时。
3、工作模式
epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT（level trigger）和ET（edge trigger）。LT模式是默认模式，LT模式与ET模式的区别如下：
LT模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时，会再次响应应用程序并通知此事件。
ET模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次响应应用程序并通知此事件。且需要用一次性读取或写入所有数据，即调用read，write，accept时需要循环处理。
ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。
ET模式关于EPOLLIN与EPOLLOUT事件触发问题：
EPOLLOUT事件：
EPOLLOUT事件只有在连接时触发一次，表示可写，其他时候想要触发，那你要先准备好下面条件：
1.某次write，写满了发送缓冲区，返回错误码为EAGAIN。
2.对端读取了一些数据，又重新可写了，此时会触发EPOLLOUT。
简单地说：EPOLLOUT事件只有在不可写到可写的转变时刻，才会触发一次，所以叫边缘触发，这叫法没错的！
其实，如果你真的想强制触发一次，也是有办法的，直接调用epoll_ctl重新设置一下event就可以了，event跟原来的设置一模一样都行（但必须包含EPOLLOUT），关键是重新设置，就会马上触发一次EPOLLOUT事件。
EPOLLIN事件：
EPOLLIN事件则只有当对端有数据写入时才会触发，所以触发一次后需要不断读取所有数据直到读完EAGAIN为止。否则剩下的数据只有在下次对端有写入时才能一起取出来了。
PS：epoll必须要求异步socket，如果同步socket，而且要求读完所有数据，那么最终就会在堵死在阻塞里
4、测试程序
（1）服务器demo，采用LT模式
#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
//函数声明
//创建套接字并进行绑定
static int socket_bind(const char* ip,int port);
//IO多路复用epoll
static void do_epoll(int listenfd);
//事件处理函数
static void
handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int listenfd,char *buf);
//处理接收到的连接
static void handle_accpet(int epollfd,int listenfd);
//读处理
static void do_read(int epollfd,int fd,char *buf);
//写处理
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);
//删除事件
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);
//创建一个描述符
epollfd = epoll_create(FDSIZE);
//添加监听描述符事件
add_event(epollfd,listenfd,EPOLLIN);
for ( ; ; )
{
//获取已经准备好的描述符事件
ret = epoll_wait(epollfd,events,EPOLLEVENTS,-1);
handle_events(epollfd,events,ret,listenfd,buf);
}
close(epollfd);
}
static void
handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int listenfd,char *buf)
{
int i;
int fd;
//进行选好遍历
for (i = 0;i < num;i++)
{
fd = events[i].data.fd;
//根据描述符的类型和事件类型进行处理
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 ",inet_ntoa(cliaddr.sin_addr),cliaddr.sin_port);
//添加一个客户描述符和事件
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. ");
close(fd);
delete_event(epollfd,fd,EPOLLIN);
}
else
{
printf("read message is : %s",buf);
//修改描述符对应的事件，由读改为写
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);
}
（2）客户端demo，也用epoll实现，控制STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO、和sockfd三个描述符
#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 20
static void handle_connection(int sockfd);
static void
handle_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));
//处理连接
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 void
handle_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. ");
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);
}