高并发网络编程之epoll详解

转载：http://blog.csdn.net/u010657219/article/details/44061629

在linux 没有实现epoll事件驱动机制之前，我们一般选择用select或者poll等IO多路复用的方法来实现并发服务程序。在大数据、高并发、集群等一些名词唱得火热之年代，select和poll的用武之地越来越有限，风头已经被epoll占尽。

本文便来介绍epoll的实现机制，并附带讲解一下select和poll。通过对比其不同的实现机制，真正理解为何epoll能实现高并发。

select()和poll() IO多路复用模型

select的缺点：

1. 单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，通常是1024，当然可以更改数量，但由于select采用轮询的方式扫描文件描述符，文件描述符数量越多，性能越差；(在linux内核头文件中，有这样的定义：#define __FD_SETSIZE    1024)
2. 内核 / 用户空间内存拷贝问题，select需要复制大量的句柄数据结构，产生巨大的开销；
3. select返回的是含有整个句柄的数组，应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件；
4. select的触发方式是水平触发，应用程序如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行IO操作，那么之后每次select调用还是会将这些文件描述符通知进程。

相比select模型，poll使用链表保存文件描述符，因此没有了监视文件数量的限制，但其他三个缺点依然存在。

拿select模型为例，假设我们的服务器需要支持100万的并发连接，则在__FD_SETSIZE 为1024的情况下，则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。除了进程间上下文切换的时间消耗外，从内核/用户空间大量的无脑内存拷贝、数组轮询等，是系统难以承受的。因此，基于select模型的服务器程序，要达到10万级别的并发访问，是一个很难完成的任务。

因此，该epoll上场了。

epoll IO多路复用模型实现机制

由于epoll的实现机制与select/poll机制完全不同，上面所说的 select的缺点在epoll上不复存在。

设想一下如下场景：有100万个客户端同时与一个服务器进程保持着TCP连接。而每一时刻，通常只有几百上千个TCP连接是活跃的(事实上大部分场景都是这种情况)。如何实现这样的高并发？

在select/poll时代，服务器进程每次都把这100万个连接告诉操作系统(从用户态复制句柄数据结构到内核态)，让操作系统内核去查询这些套接字上是否有事件发生，轮询完后，再将句柄数据复制到用户态，让服务器应用程序轮询处理已发生的网络事件，这一过程资源消耗较大，因此，select/poll一般只能处理几千的并发连接。

epoll的设计和实现与select完全不同。epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统(文件系统一般用什么数据结构实现？B+树)。把原先的select/poll调用分成了3个部分：

1）调用epoll_create()建立一个epoll对象(在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源)

2）调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接的套接字

3）调用epoll_wait收集发生的事件的连接

如此一来，要实现上面说是的场景，只需要在进程启动时建立一个epoll对象，然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同时，epoll_wait的效率也非常高，因为调用epoll_wait时，并没有一股脑的向操作系统复制这100万个连接的句柄数据，内核也不需要去遍历全部的连接。

下面来看看Linux内核具体的epoll机制实现思路。

当某一进程调用epoll_create方法时，Linux内核会创建一个eventpoll结构体，这个结构体中有两个成员与epoll的使用方式密切相关。eventpoll结构体如下所示：

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struct eventpoll{     ....     /*红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/     struct rb_root  rbr;     /*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/     struct list_head rdlist;     .... };

每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体，用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。这些事件都会挂载在红黑树中，如此，重复添加的事件就可以通过红黑树而高效的识别出来(红黑树的插入时间效率是lgn，其中n为树的高度)。

而所有添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系，也就是说，当相应的事件发生时会调用这个回调方法。这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback,它会将发生的事件添加到rdlist双链表中。

在epoll中，对于每一个事件，都会建立一个epitem结构体，如下所示：

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structepitem{     structrb_node  rbn;//红黑树节点     structlist_head    rdllink;//双向链表节点     structepoll_filefd  ffd;  //事件句柄信息     structeventpoll *ep;    //指向其所属的eventpoll对象     structepoll_eventevent;//期待发生的事件类型 }

当调用epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不为空，则把发生的事件复制到用户态，同时将事件数量返回给用户。

epoll数据结构示意图

从上面的讲解可知：通过红黑树和双链表数据结构，并结合回调机制，造就了epoll的高效。

OK，讲解完了Epoll的机理，我们便能很容易掌握epoll的用法了。一句话描述就是：三步曲。

第一步：epoll_create()系统调用。此调用返回一个句柄，之后所有的使用都依靠这个句柄来标识。

第二步：epoll_ctl()系统调用。通过此调用向epoll对象中添加、删除、修改感兴趣的事件，返回0标识成功，返回-1表示失败。

第三部：epoll_wait()系统调用。通过此调用收集收集在epoll监控中已经发生的事件。

最后，附上一个epoll编程实例。(作者为sparkliang)

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//    // a simple echo server using epoll in linux   //    // 2009-11-05   // 2013-03-22:修改了几个问题，1是/n格式问题，2是去掉了原代码不小心加上的ET模式; // 本来只是简单的示意程序，决定还是加上 recv/send时的buffer偏移 // by sparkling   //    #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 <errno.h>   #include <iostream>   usingnamespacestd;  #define MAX_EVENTS 500   structmyevent_s  {     intfd;     void(*call_back)(intfd,intevents,void*arg);     intevents;     void*arg;     intstatus;// 1: in epoll wait list, 0 not in      charbuff[128];// recv data buffer      intlen,s_offset;     longlast_active;// last active time   };  // set event   voidEventSet(myevent_s*ev,intfd,void(*call_back)(int,int,void*),void*arg)  {     ev->fd=fd;     ev->call_back=call_back;     ev->events=0;     ev->arg=arg;     ev->status=0;    bzero(ev->buff,sizeof(ev->buff));    ev->s_offset=0;     ev->len=0;    ev->last_active=time(NULL);  }  // add/mod an event to epoll   voidEventAdd(intepollFd,intevents,myevent_s*ev)  {     structepoll_eventepv={0,{0}};     intop;     epv.data.ptr=ev;     epv.events=ev->events=events;     if(ev->status==1){         op=EPOLL_CTL_MOD;     }     else{         op=EPOLL_CTL_ADD;         ev->status=1;     }     if(epoll_ctl(epollFd,op,ev->fd,&epv)<0)         printf("Event Add failed[fd=%d], evnets[%d] ",ev->fd,events);     else         printf("Event Add OK[fd=%d], op=%d, evnets[%0X] ",ev->fd,op,events);  }  // delete an event from epoll   voidEventDel(intepollFd,myevent_s*ev)  {     structepoll_eventepv={0,{0}};     if(ev->status!=1)return;     epv.data.ptr=ev;     ev->status=0;    epoll_ctl(epollFd,EPOLL_CTL_DEL,ev->fd,&epv);  }  intg_epollFd;  myevent_sg_Events[MAX_EVENTS+1];// g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd   voidRecvData(intfd,intevents,void*arg);  voidSendData(intfd,intevents,void*arg);  // accept new connections from clients   voidAcceptConn(intfd,intevents,void*arg)  {     structsockaddr_insin;     socklen_tlen=sizeof(structsockaddr_in);     intnfd,i;     // accept      if((nfd=accept(fd,(structsockaddr*)&sin,&len))==-1)     {         if(errno!=EAGAIN&&errno!=EINTR)         {         }        printf("%s: accept, %d",__func__,errno);         return;     }     do     {         for(i=0;i<MAX_EVENTS;i++)         {             if(g_Events[i].status==0)             {                 break;             }         }         if(i==MAX_EVENTS)         {             printf("%s:max connection limit[%d].",__func__,MAX_EVENTS);             break;         }         // set nonblocking        intiret=0;        if((iret=fcntl(nfd,F_SETFL,O_NONBLOCK))<0)        {            printf("%s: fcntl nonblocking failed:%d",__func__,iret);            break;        }        // add a read event for receive data          EventSet(&g_Events[i],nfd,RecvData,&g_Events[i]);         EventAdd(g_epollFd,EPOLLIN,&g_Events[i]);     }while(0);     printf("new conn[%s:%d][time:%d], pos[%d] ",inet_ntoa(sin.sin_addr),            ntohs(sin.sin_port),g_Events[i].last_active,i);  }  // receive data   voidRecvData(intfd,intevents,void*arg)  {     structmyevent_s*ev=(structmyevent_s*)arg;     intlen;     // receive data    len=recv(fd,ev->buff+ev->len,sizeof(ev->buff)-1-ev->len,0);       EventDel(g_epollFd,ev);    if(len>0)    {        ev->len+=len;        ev->buff[len]='';         printf("C[%d]:%s ",fd,ev->buff);         // change to send event          EventSet(ev,fd,SendData,ev);         EventAdd(g_epollFd,EPOLLOUT,ev);     }     elseif(len==0)     {         close(ev->fd);         printf("[fd=%d] pos[%d], closed gracefully. ",fd,ev-g_Events);     }     else     {         close(ev->fd);         printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s ",fd,errno,strerror(errno));     }  }  // send data   voidSendData(intfd,intevents,void*arg)  {     structmyevent_s*ev=(structmyevent_s*)arg;     intlen;     // send data      len=send(fd,ev->buff+ev->s_offset,ev->len-ev->s_offset,0);    if(len>0)     {        printf("send[fd=%d], [%d<->%d]%s ",fd,len,ev->len,ev->buff);        ev->s_offset+=len;        if(ev->s_offset==ev->len)        {            // change to receive event            EventDel(g_epollFd,ev);             EventSet(ev,fd,RecvData,ev);             EventAdd(g_epollFd,EPOLLIN,ev);         }    }     else     {         close(ev->fd);         EventDel(g_epollFd,ev);         printf("send[fd=%d] error[%d] ",fd,errno);     }  }  voidInitListenSocket(intepollFd,shortport)  {     intlistenFd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);     fcntl(listenFd,F_SETFL,O_NONBLOCK);// set non-blocking      printf("server listen fd=%d ",listenFd);     EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS],listenFd,AcceptConn,&g_Events[MAX_EVENTS]);     // add listen socket      EventAdd(epollFd,EPOLLIN,&g_Events[MAX_EVENTS]);     // bind & listen      sockaddr_insin;     bzero(&sin,sizeof(sin));     sin.sin_family=AF_INET;     sin.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;     sin.sin_port=htons(port);     bind(listenFd,(constsockaddr*)&sin,sizeof(sin));     listen(listenFd,5);  }  intmain(intargc,char**argv)  {     unsignedshortport=12345;// default port      if(argc==2){         port=atoi(argv[1]);     }     // create epoll      g_epollFd=epoll_create(MAX_EVENTS);     if(g_epollFd<=0)printf("create epoll failed.%d ",g_epollFd);     // create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking      InitListenSocket(g_epollFd,port);     // event loop      structepoll_eventevents[MAX_EVENTS];     printf("server running:port[%d] ",port);     intcheckPos=0;     while(1){         // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event          longnow=time(NULL);         for(inti=0;i<100;i++,checkPos++)// doesn't check listen fd          {             if(checkPos==MAX_EVENTS)checkPos=0;// recycle              if(g_Events[checkPos].status!=1)continue;             longduration=now-g_Events[checkPos].last_active;             if(duration>=60)// 60s timeout              {                 close(g_Events[checkPos].fd);                 printf("[fd=%d] timeout[%d--%d]. ",g_Events[checkPos].fd,g_Events[checkPos].last_active,now);                 EventDel(g_epollFd,&g_Events[checkPos]);             }         }         // wait for events to happen          intfds=epoll_wait(g_epollFd,events,MAX_EVENTS,1000);         if(fds<0){             printf("epoll_wait error, exit ");             break;         }         for(inti=0;i<fds;i++){             myevent_s*ev=(structmyevent_s*)events[i].data.ptr;             if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN))// read event              {                 ev->call_back(ev->fd,events[i].events,ev->arg);             }             if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT))// write event              {                 ev->call_back(ev->fd,events[i].events,ev->arg);             }         }     }     // free resource      return0;  }