在linux的网络编程中,很长的时间都在使用select来做事件触发。在linux新的内核中,有了一种替换它的机制,就是epoll。相比于select,epoll最大的好处在于它不会随着监听fd数目的增长而降低效率。因为在内核中的select实现中,它是采用轮询来处理的,轮询的fd数目越多,自然耗时越多。并且,linux/posix_types.h头文件有这样的声明:
#define__FD_SETSIZE   1024
        表示select最多同时监听1024个fd,当然,可以通过修改头文件再重编译内核来扩大这个数目,但这似乎并不治本。

 

epoll的接口非常简单,一共就三个函数:
1.创建epoll句柄
  int epfd = epoll_create(intsize);                                                                   

      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。
函数声明:int epoll_create(int size)
该 函数生成一个epoll专用的文件描述符。它其实是在内核申请一空间,用来存放你想关注的socket fd上是否发生以及发生了什么事件。size就是你在这个epoll fd上能关注的最大socket fd数。随你定好了。只要你有空间。可参见上面与select之不同
2.将被监听的描述符添加到epoll句柄或从epool句柄中删除或者对监听事件进行修改。

函数声明:int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)
该函数用于控制某个epoll文件描述符上的事件,可以注册事件,修改事件,删除事件。
参数:
epfd:由 epoll_create 生成的epoll专用的文件描述符;
op:要进行的操作例如注册事件,可能的取值EPOLL_CTL_ADD 注册、EPOLL_CTL_MOD 修 改、EPOLL_CTL_DEL 删除

fd:关联的文件描述符;
event:指向epoll_event的指针;
如果调用成功返回0,不成功返回-1

  int epoll_ctl(int epfd, intop, 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,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件,structepoll_event结构如下:
       
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 */
};
events可以是以下几个宏的集合:
EPOLLIN: 触发该事件,表示对应的文件描述符上有可读数据。(包括对端SOCKET正常关闭);
EPOLLOUT: 触发该事件,表示对应的文件描述符上可以写数据;
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。
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。
如:
struct epoll_event ev;
//设置与要处理的事件相关的文件描述符
ev.data.fd=listenfd;
//设置要处理的事件类型
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
//注册epoll事件
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);
3.等待事件触发,当超过timeout还没有事件触发时,就超时。
   int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, intmaxevents, 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(数组成员的个数),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。
返回的事件集合在events数组中,数组中实际存放的成员个数是函数的返回值。返回0表示已经超时。
函数声明:int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event * events,int maxevents,int timeout)
该函数用于轮询I/O事件的发生;
参数:
epfd:由epoll_create 生成的epoll专用的文件描述符;
epoll_event:用于回传代处理事件的数组;
maxevents:每次能处理的事件数;
timeout:等待I/O事件发生的超时值(单位我也不太清楚);-1相当于阻塞,0相当于非阻塞。一般用-1即可
返回发生事件数。
epoll_wait运行的原理是
等侍注册在epfd上的socket fd的事件的发生,如果发生则将发生的sokct fd和事件类型放入到events数组中。
并 且将注册在epfd上的socket fd的事件类型给清空,所以如果下一个循环你还要关注这个socket fd的话,则需要用epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,listenfd,&ev)来重新设置socket fd的事件类型。这时不用EPOLL_CTL_ADD,因为socket fd并未清空,只是事件类型清空。这一步非常重要。
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从man手册中,得到ET和LT的具体描述如下
EPOLL事件有两种模型:
Edge Triggered(ET) //高速工作方式,错误率比较大,只支持no_block socket (非阻塞socket)
LevelTriggered(LT) //缺省工作方式,即默认的工作方式,支持blocksocket和no_blocksocket,错误率比较小。

假如有这样一个例子:(LT方式,即默认方式下,内核会继续通知,可以读数据,ET方式,内核不会再通知,可以读数据)
1.我们已经把一个用来从管道中读取数据的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符
2. 这个时候从管道的另一端被写入了2KB的数据
3. 调用epoll_wait(2),并且它会返回RFD,说明它已经准备好读取操作
4. 然后我们读取了1KB的数据
5. 调用epoll_wait(2)……

Edge Triggered工作模式:
如果我们在第1步将RFD添加到epoll描述符的时候使用了EPOLLET标志,那么在第5步调用epoll_wait(2)之后将有可能会挂起,因为剩余的数据还存在于文件的输入缓冲区内,而且数据发出端还在等待一个针对已经发出数据的反馈信息。只有在监视的文件句柄上发生了某个事件的时候ET工作模式才会汇报事件。因此在第5步的时候,调用者可能会放弃等待仍在存在于文件输入缓冲区内的剩余数据。在上面的例子中,会有一个事件产生在RFD句柄上,因为在第2步执行了一个写操作,然后,事件将会在第3步被销毁。因为第4步的读取操作没有读空文件输入缓冲区内的数据,因此我们在第5步调用epoll_wait(2)完成后,是否挂起是不确定的。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。最好以下面的方式调用ET模式的epoll接口,在后面会介绍避免可能的缺陷。(LT方式可以解决这种缺陷)
i 基于非阻塞文件句柄
ii 只有当read(2)或者write(2)返回EAGAIN时(认为读完)才需要挂起,等待。但这并不是说每次read()时都需要循环读,直到读到产生一个EAGAIN才认为此次事件处理完成,当read()返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时(即小于sizeof(buf)),就可以确定此时缓冲中已没有数据了,也就可以认为此事读事件已处理完成。

Level Triggered工作模式         (默认的工作方式)
相反的,以LT方式调用epoll接口的时候,它就相当于一个速度比较快的poll(2),并且无论后面的数据是否被使用,因此他们具有同样的职能。因为即使使用ET模式的epoll,在收到多个chunk的数据的时候仍然会产生多个事件。调用者可以设定EPOLLONESHOT标志,在epoll_wait(2)收到事件后epoll会与事件关联的文件句柄从epoll描述符中禁止掉。因此当EPOLLONESHOT设定后,使用带有EPOLL_CTL_MOD标志的epoll_ctl(2)处理文件句柄就成为调用者必须作的事情。

然后详细解释ET, LT:
 //没有对就绪的fd进行IO操作,内核会不断的通知。
LT(leveltriggered)是缺省的工作方式,并且同时支持block和no-blocksocket。在这种做法中,内核告诉你一个文件描述符是否就绪了,然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作,内核还是会继续通知你的,所以,这种模式编程出错误可能性要小一点。传统的select/poll都是这种模型的代表。
 //没有对就绪的fd进行IO操作,内核不会再进行通知。
ET(edge-triggered)是高速工作方式,只支持no-blocksocket。在这种模式下,当描述符从未就绪变为就绪时,内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪,并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知,直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了(比如,你在发送,接收或者接收请求,或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK错误)。但是请注意,如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪),内核不会发送更多的通知(only once),不过在TCP协议中,ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark确认(这句话不理解)。

另外,当使用epoll的ET模型(epoll的非默认工作方式)来工作时,当产生了一个EPOLLIN事件后,
读数据的时候需要考虑的是当recv()返回的大小如果等于要求的大小,即sizeof(buf),那么很有可能是缓冲区还有数据未读完,也意味着该次事件还没有处理完,所以还需要再次读取:
while(rs) //ET模型
{
buflen = recv(activeevents[i].data.fd, buf, sizeof(buf), 0);
if(buflen < 0)
{
//由于是非阻塞的模式,所以当errno为EAGAIN时,表示当前缓冲区已无数据可读
// 在这里就当作是该次事件已处理处.
if(errno== EAGAIN || errno == EINT)  //即当buflen<0且errno=EAGAIN时,表示没有数据了。(读/写都是这样)
break;
else
return; //真的失败了。
}
elseif(buflen == 0)
{
//这里表示对端的socket已正常关闭.
}
if(buflen== sizeof(buf)
rs = 1;  //需要再次读取(有可能是因为数据缓冲区buf太小,所以数据没有读完)
else
rs =0; //不需要再次读取(当buflen
}

非常重要::
还有,假如发送端流量大于接收端的流量(意思是epoll所在的程序读比转发的socket要快),由于是非阻塞的socket,那么send()函数虽然返回,但实际缓冲区的数据并未真正发给接收端,这样不断的读和发,当缓冲区满后会产生EAGAIN错误(参考mansend),同时,不理会这次请求发送的数据.所以,
需要封装socket_send()的函数用来处理这种情况,该函数会尽量将数据写完再返回,返回-1表示出错。在socket_send()内部,当写缓冲已满(send()返回-1,且errno为EAGAIN),那么会等待后再重试.这种方式并不很完美,在理论上可能会长时间的阻塞在socket_send()内部,但暂没有更好的办法.
这种方法类似于readn和writen的封装(自己写过,在《UNIX环境高级编程》中也有介绍)

ssize_t socket_send(int sockfd, const char* buffer, size_tbuflen)
{
ssize_t tmp;
size_t total = buflen;
const char *p = buffer;

while(1)
{
tmp =send(sockfd, p, total, 0);
if(tmp <0)
{
// 当send收到信号时,可以继续写,但这里返回-1.
if(errno == EINTR)
return -1;

//当socket是非阻塞时,如返回此错误,表示写缓冲队列已满,
//在这里做延时后再重试.
if(errno == EAGAIN)
{
usleep(1000);
continue;
}

return -1;
}

if((size_t)tmp == total)
return buflen;

total -=tmp;
p +=tmp;
}

return tmp;
}
总结:

man中给出了epoll的用法,example程序如下:
       for(;;) {
           nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1);

           for(n = 0; n < nfds; ++n) {
               if(events[n].data.fd == listener) {
                   client = accept(listener, (struct sockaddr *) &local,
                                   &addrlen);
                   if(client < 0){
                       perror("accept");
                       continue;
                   }
                   setnonblocking(client);
                   ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
                   ev.data.fd = client;
                   if (epoll_ctl(kdpfd, EPOLL_CTL_ADD, client, &ev) < 0) {
                       fprintf(stderr, "epoll set insertion error: fd=%dn",
                               client);
                       return -1;
                   }
               }
               else
                   do_use_fd(events[n].data.fd);
           }
       }
此时使用的是ET模式,即,边沿触发,类似于电平触发,epoll中的边沿触发的意思是只对新到的数据进行通知,而内核缓冲区中如果是旧数据则不进行通知,所以在do_use_fd函数中应该使用如下循环,才能将内核缓冲区中的数据读完。
while (1) {
           len = recv(*******);
           if (len == -1) {
             if(errno == EAGAIN)
                break;
             perror("recv");
             break;
           }
           do something with the recved data........
        }
在上面例子中没有说明对于listen socket fd该如何处理,有的时候会使用两个线程,一个用来监听accept另一个用来监听epoll_wait,如果是这样使用的话,则listen socket fd使用默认的阻塞方式就行了,而如果epoll_wait和accept处于一个线程中,即,全部由epoll_wait进行监听,则,需将listen socket fd也设置成非阻塞的,这样,对accept也应该使用while包起来(类似于上面的recv),因为,epoll_wait返回时只是说有连接到来了,并没有说有几个连接,而且在ET模式下epoll_wait不会再因为上一次的连接还没读完而返回,这种情况确实存在,我因为这个问题而耗费了一天多的时间,这里需要说明的是,每调用一次accept将从内核中的已连接队列中的队头读取一个连接,因为在并发访问的环境下,有可能有多个连接“同时”到达,而epoll_wait只返回了一次。

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