Socket网络编程--epoll小结

　　以前使用的用于I/O多路复用为了方便就使用select函数，但select这个函数是有缺陷的。因为它所支持的并发连接数是有限的(一般小于1024)，因为用户处理的数组是使用硬编码的。这个最大值为FD_SETSIZE，这是在<sys/select.h>中的一个常量，它说明了最大的描述符数。但是对于大多数应用程序而言，这个数是够用的，而且有可能还是太大的，多数应用程序只使用3~10个描述符。而如今的网络服务器小小的都有几万的连接，虽然可以使用多线程多进程(也就有N*1024个)。但是这样处理起来既不方面，性能又低。

　　同时期有I/O多路复用的还有一个poll函数，这个函数类似于select，但是其应用程序接口有所不用。原型如下

　　#include <poll.h>
　　int poll(struct pollfd fdarray[], nfds_t nfds, int timeout);

　　//返回值: 准备就绪的描述符数，若超时则返回0，出错返回-1

　　如果只是考虑性能的话，poll()也是不合适的，尽管它可以支持较高的TCP并发连接数，但是由于其采用“轮询”机制(遍历数组而已)，但并发数较高时，其运行效率相当低(如果有10k个连接，单用于轮询的时间就需要1~10ms了)，同时还可能存在I/O事件分配不均，导致部分TCP连接上的I/O出现“饥饿”现象。基于种种原因在Linux 2.5.44版本后poll被epoll取代。
　　支持一个进程打开最大数目的 socket 描述符(FD)。select 最不能忍受的是一个进程所打开的FD 是有一定限制的,由 FD_SETSIZE 设置,默认值是 2048。对于那些需要支持的上万连接数目的 IM 服务器来说显然太少了。这时候你一是可以选择修改这个宏然后重新编译内核,不过资料也同时指出这样会带来网络效率的下降,二是可以选择多进程的解决方案(传统的 Apache 方案Process Per Connection,TPC方案 Thread Per Connection),不过虽然 linux 上面创建进程的代价比较小,但仍旧是不可忽视的,加上进程间数据同步远比不上线程间同步的高效,所以也不是一种完美的方案。不过 epoll 则没有这个限制,它所支持的 FD 上限是最大可以打开文件的数目,这个数字一般远大于 2048,举个例子,在 1GB 内存的机器上大约是 10 万左右,具体数目可以 cat /proc/sys/fs/file-max 察看,一般来说这个数目和系统内存关系很大。
由于epoll这个函数是后增加上的，造成现在很少有资料提及到，我看了APUE，UNPv1等书都没有找到相关的函数原型。所以我只能从网络上抄一些函数原型过来了。

　　epoll用到的所有函数都是在头文件sys/epoll.h中声明，有什么地方不明白或函数忘记了可以去看一下或者man epoll。epoll和select相比，最大不同在于:

　　epoll返回时已经明确的知道哪个sokcet fd发生了事件，不用再一个个比对(轮询)。这样就提高了效率。select的FD_SETSIZE是有限制的，而epoll是没有限制的只与系统资源有关。

　　epoll_create函数

 /* Creates an epoll instance.  Returns an fd for the new instance.
    The "size" parameter is a hint specifying the number of file
    descriptors to be associated with the new instance.  The fd
    returned by epoll_create() should be closed with close().  */
 extern int epoll_create (int __size) __THROW;

　　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。这个数没有select的1024约束。

　　epoll_ctl函数

 /* Manipulate an epoll instance "epfd". Returns 0 in case of success,
    -1 in case of error ( the "errno" variable will contain the
    specific error code ) The "op" parameter is one of the EPOLL_CTL_*
    constants defined above. The "fd" parameter is the target of the
    operation. The "event" parameter describes which events the caller
    is interested in and any associated user data.  */
 extern int epoll_ctl (int __epfd, int __op, int __fd,
                       struct epoll_event *__event) __THROW;
 /* Valid opcodes ( "op" parameter ) to issue to epoll_ctl(). */
 #define EPOLL_CTL_ADD 1 /* Add a file descriptor to the interface. */
 #define EPOLL_CTL_DEL 2 /* Remove a file descriptor from the interface. */
 #define EPOLL_CTL_MOD 3 /* Change file descriptor epoll_event structure. */

　　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；
　　　　　　返回值:如果调用成功返回0,不成功返回-1

　　用到的数据结构

 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 */
 };

　　设置实例

 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);
 //常用的事件类型:
 EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读；
 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
 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：表示对应的文件描述符有事件发生；
 //具体可以看<sys/epoll.h>

　　epoll_wait函数

 /* Wait for events on an epoll instance "epfd". Returns the number of
    triggered events returned in "events" buffer. Or -1 in case of
    error with the "errno" variable set to the specific error code. The
    "events" parameter is a buffer that will contain triggered
    events. The "maxevents" is the maximum number of events to be
    returned ( usually size of "events" ). The "timeout" parameter
    specifies the maximum wait time in milliseconds (-1 == infinite).
    This function is a cancellation point and therefore not marked with
    __THROW.  */
 extern int epoll_wait (int __epfd, struct epoll_event *__events,
                        int __maxevents, int __timeout);

 /* Same as epoll_wait, but the thread's signal mask is temporarily
    and atomically replaced with the one provided as parameter.
    This function is a cancellation point and therefore not marked with
    __THROW.  */
 extern int epoll_pwait (int __epfd, struct epoll_event *__events,
                         int __maxevents, int __timeout,
                         __const __sigset_t *__ss);

　　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(单位应该是ms)；-1相当于阻塞，0相当于非阻塞。一般用-1即可

　　　　　　返回值:返回发生事件数。如出错则返回-1。

 　　下面给一个man手册里面的例子

 #define MAX_EVENTS 10
 struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];
 int listen_sock, conn_sock, nfds, epollfd;

 /* Set up listening socket, 'listen_sock' (socket(),
    bind(), listen()) */

 epollfd = epoll_create();
 if (epollfd == -) {
     perror("epoll_create");
     exit(EXIT_FAILURE);
 }

 ev.events = EPOLLIN;
 ev.data.fd = listen_sock;
 if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_sock, &ev) == -) {
     perror("epoll_ctl: listen_sock");
     exit(EXIT_FAILURE);
 }

 for (;;) {
     nfds = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENTS, -);
     if (nfds == -) {
         perror("epoll_pwait");
         exit(EXIT_FAILURE);
     }

     for (n = ; n < nfds; ++n) {
         if (events[n].data.fd == listen_sock) {
             conn_sock = accept(listen_sock,
                     (struct sockaddr *) &local, &addrlen);
             if (conn_sock == -) {
                 perror("accept");
                 exit(EXIT_FAILURE);
             }
             setnonblocking(conn_sock);
             ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
             ev.data.fd = conn_sock;
             if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, conn_sock,
                         &ev) == -) {
                 perror("epoll_ctl: conn_sock");
                 exit(EXIT_FAILURE);
             }
         } else {
             do_use_fd(events[n].data.fd);
         }
     }
 }

　　下面这个是引用mmz_xiaokong

epoll函数
　　常用模型的缺点
　　　　如果不摆出来其他模型的缺点，怎么能对比出 Epoll 的优点呢。
　　PPC/TPC 模型
　　这两种模型思想类似，就是让每一个到来的连接一边自己做事去，别再来烦我 。只是 PPC 是为它开了一个进程，而 TPC 开了一个线程。可是别烦我是有代价的，它要时间和空间啊，连接多了之后，那么多的进程 / 线程切换，这开销就上来了；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
　　1. 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。自己改改这个 FD_SETSIZE ？想法虽好，可是先看看下面吧 …
　　2. 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 改大的后果就是，大家都慢慢来，什么？都超时了？？！！
　　3. 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 的提升
　　把其他模型逐个批判了一下，再来看看 Epoll 的改进之处吧，其实把 select 的缺点反过来那就是 Epoll 的优点了。
　　1. 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。
　　2. 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 。
　　3. 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。
　　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(以空间换时间)，这个下面就会提到。
　　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快去处理，而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+, &readfds, NULL, NULL, );
 if (res > )
 {
     for (int i = ; 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, , );
 for (int i = ; i < res;i++)
 {
      handleEvent(events[n]);
 }

　　下面用一个实例来说明

　　client.cpp

 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <string.h>
 #include <netinet/in.h>
 #include <sys/types.h>
 #include <sys/socket.h>
 #include <netdb.h>
 #include <unistd.h>

 #define MAX_DATA_SIZE 4096
 #define SERVER_PORT 12138

 int main(int argc,char *argv[])
 {
     int sockfd;
     struct hostent * host;
     struct sockaddr_in servAddr;
     int pid;
     char sendBuf[MAX_DATA_SIZE],recvBuf[MAX_DATA_SIZE];
     int sendSize,recvSize;

     host=gethostbyname(argv[]);
     if(host==NULL)
     {
         perror("get host error");
         exit(-);
     }

     sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,);
     if(sockfd==-)
     {
         perror("创建socket失败");
         exit(-);
     }

     servAddr.sin_family=AF_INET;
     servAddr.sin_port=htons(SERVER_PORT);
     servAddr.sin_addr=*((struct in_addr *)host->h_addr);
     bzero(&(servAddr.sin_zero),);

     if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)&servAddr,sizeof(struct sockaddr_in))==-)
     {
         perror("connect 失败");
         exit(-);
     }

     if((pid=fork())<)
     {
         perror("fork error");
     }
     else if(pid>)
     {
         while()
         {
             fgets(sendBuf,MAX_DATA_SIZE,stdin);
             sendSize=send(sockfd,sendBuf,MAX_DATA_SIZE,);
             if(sendSize<)
                 perror("send error");
             memset(sendBuf,,sizeof(sendBuf));
         }
     }
     else
     {
         while()
         {
             recvSize=recv(sockfd,recvBuf,MAX_DATA_SIZE,);
             if(recvSize<)
                 perror("recv error");
             printf("接收到的信息:%s",recvBuf);
             memset(recvBuf,,sizeof(recvBuf));
         }
     }
     return ;
 }

　　server.cpp

 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <sys/socket.h>
 #include <sys/epoll.h>
 #include <string.h>
 #include <netinet/in.h>
 #include <string.h>
 #include <netdb.h>
 #include <arpa/inet.h>
 #include <unistd.h>

 #define SERVER_PORT 12138
 #define CON_QUEUE 20
 #define MAX_DATA_SIZE 4096
 #define MAX_EVENTS 500

 void AcceptConn(int sockfd,int epollfd);
 void Handle(int clientfd);

 int main(int argc,char *argv[])
 {
     struct sockaddr_in serverSockaddr;
     int sockfd;

     //创建socket
     if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,))==-)
     {
         perror("创建socket失败");
         exit(-);
     }
     serverSockaddr.sin_family=AF_INET;
     serverSockaddr.sin_port=htons(SERVER_PORT);
     serverSockaddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
     bzero(&(serverSockaddr.sin_zero),);

     int on=;
     setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&on,sizeof(on));

     if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)&serverSockaddr,sizeof(struct sockaddr))==-)
     {
         perror("绑定失败");
         exit(-);
     }

     if(listen(sockfd,CON_QUEUE)==-)
     {
         perror("监听失败");
         exit(-);
     }

     //epoll初始化
     int epollfd;//epoll描述符
     struct epoll_event eventList[MAX_EVENTS];
     epollfd=epoll_create(MAX_EVENTS);
     struct epoll_event event;
     event.events=EPOLLIN|EPOLLET;
     event.data.fd=sockfd;//把server socket fd封装进events里面

     //epoll_ctl设置属性,注册事件
     if(epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,sockfd,&event)<)
     {
         printf("epoll 加入失败 fd:%d\n",sockfd);
         exit(-);
     }

     while()
     {
         int timeout=;//设置超时;在select中使用的是timeval结构体
         //epoll_wait epoll处理
         //ret会返回在规定的时间内获取到IO数据的个数，并把获取到的event保存在eventList中，注意在每次执行该函数时eventList都会清空，由epoll_wait函数填写。
         //而不清除已经EPOLL_CTL_ADD到epollfd描述符的其他加入的文件描述符。这一点与select不同，select每次都要进行FD_SET，具体可看我的select讲解。
         //epoll里面的文件描述符要手动通过EPOLL_CTL_DEL进行删除。
         int ret=epoll_wait(epollfd,eventList,MAX_EVENTS,timeout);

         if(ret<)
         {
             perror("epoll error\n");
             break;
         }
         else if(ret==)
         {
             //超时
             continue;
         }

         //直接获取了事件数量，给出了活动的流，这里就是跟selec，poll区别的关键 //select要用遍历整个数组才知道是那个文件描述符有事件。而epoll直接就把有事件的文件描述符按顺序保存在eventList中
         for(int i=;i<ret;i++)
         {
             //错误输出
             if((eventList[i].events & EPOLLERR) || (eventList[i].events & EPOLLHUP) || !(eventList[i].events & EPOLLIN))
             {
                 printf("epoll error\n");
                 close(eventList[i].data.fd);
                 exit(-);
             }

             if(eventList[i].data.fd==sockfd)
             {
                 //这个是判断sockfd的，主要是用于接收客户端的连接accept
                 AcceptConn(sockfd,epollfd);
             }
             else //里面可以通过判断eventList[i].events&EPOLLIN 或者 eventList[i].events&EPOLLOUT 来区分当前描述符的连接是对应recv还是send
             {
                 //其他所有与客户端连接的clientfd文件描述符
                 //获取数据等操作
                 //如需不接收客户端发来的数据，但是不关闭连接。
                 //epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL,eventList[i].data.fd,eventList[i]);
                 //Handle对各个客户端发送的数据进行处理
                 Handle(eventList[i].data.fd);
             }
         }
     }

     close(epollfd);
     close(sockfd);
     return ;
 }

 void AcceptConn(int sockfd,int epollfd)
 {
     struct sockaddr_in sin;
     socklen_t len=sizeof(struct sockaddr_in);
     bzero(&sin,len);

     int confd=accept(sockfd,(struct sockaddr *)&sin,&len);

     if(confd<)
     {
         perror("connect error\n");
         exit(-);
     }

     //把客户端新建立的连接添加到EPOLL的监听中
     struct epoll_event event;
     event.data.fd=confd;
     event.events=EPOLLIN|EPOLLET;
     epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,confd,&event);
     return ;
 }

 void Handle(int clientfd)
 {
     int recvLen=;
     char recvBuf[MAX_DATA_SIZE];
     memset(recvBuf,,sizeof(recvBuf));
     recvLen=recv(clientfd,(char *)recvBuf,MAX_DATA_SIZE,);
     if(recvLen==)
         return ;
     else if(recvLen<)
     {
         perror("recv Error");
         exit(-);
     }
     //各种处理
     printf("接收到的数据:%s \n",recvBuf);
     return ;
 }

　　epoll参考资料

　　http://blog.csdn.net/mmz_xiaokong/article/details/8704988
　　http://blog.csdn.net/mmz_xiaokong/article/details/8704455
　　http://www.cppblog.com/converse/archive/2008/10/13/63928.html
　　http://blog.csdn.net/haoahua/article/details/2037704
　　https://banu.com/blog/2/how-to-use-epoll-a-complete-example-in-c/

　　epoll为什么这么快: http://www.cppblog.com/converse/archive/2008/10/12/63836.html

　　本文地址: http://www.cnblogs.com/wunaozai/p/3895860.html