多路复用I/O epoll()

epoll 是Linux内核中的一种可扩展IO事件处理机制，最早在 Linux 2.5.44内核中引入，可被用于代替POSIX select 和 poll 系统调用，并且在具有大量应用程序请求时能够获得较好的性能（此时被监视的文件描述符数目非常大，与旧的 select 和 poll 系统调用完成操作所需 O(n) 不同， epoll能在O(1)时间内完成操作，所以性能相当高），epoll 与 FreeBSD的kqueue类似，都向用户空间提供了自己的文件描述符来进行操作。

int epoll_create(int size);

创建一个epoll的句柄，size用来告诉内核需要监听的数目一共有多大。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。

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

epoll的事件注册函数，第一个参数是 epoll_create() 的返回值，第二个参数表示动作，使用如下三个宏来表示：

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：

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     //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。

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。

当对方关闭连接(FIN), EPOLLERR，都可以认为是一种EPOLLIN事件，在read的时候分别有0，-1两个返回值。

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

参数epfd是epoll_create返回的句柄，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。

EPOLL事件有两种模型 Level Triggered (LT) 和 Edge Triggered (ET)：

LT(level triggered，水平触发模式)是缺省的工作方式，并且同时支持 block 和 non-block socket。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。

ET(edge-triggered，边缘触发模式)是高速工作方式，只支持no-block socket。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，等到下次有新的数据进来的时候才会再次出发就绪事件。

epoll 例子

teacher's

#include <stdio.h>

#include <stdio.h>

#include "debug.h"

#include <sys/socket.h>

#include <netinet/in.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <poll.h>

#include <sys/epoll.h>

int main()

{

    int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, );

    if(- == listenfd)

        errsys("socket");

    struct sockaddr_in myaddr = {};

    struct sockaddr_in clientaddr = {};

    myaddr.sin_family = AF_INET;

    myaddr.sin_port = htons();

    myaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");//INADDR_ANY

    int len = sizeof myaddr;

    if(- == bind(listenfd, (struct sockaddr*)&myaddr, len))

        errsys("bind");

    if(- == listen(listenfd, ))

        errsys("listen");

    int epoll_fd = epoll_create();            //创建epoll句柄，最大监听1024个事件

    if(- == epoll_fd)

        errsys("epoll");

    struct epoll_event event = {};

    event.events = EPOLLIN;                        //监听读取是否准备就绪

    event.data.fd = listenfd;                    //要监听的是 listen sockt

    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &event);            //注册一个listen 监听事件

#define BUFSIZE 100

#define MAXNFD  1024 

    struct epoll_event revents[MAXNFD] = {};        //用来存放就绪的监听事件

    int nready;

    char buf[MAXNFD][BUFSIZE] = {};

    while()

    {

        if(- == (nready = epoll_wait(epoll_fd, revents, MAXNFD, -)) )                //开始监听事件，返回就绪事件数，就绪事件存放到 revents 低下标开始的位置，

                                                                                    //从返回0超时， 返回-1，出错

            errsys("poll");

        int i = ;

        for(;i<nready; i++)                            //遍历就绪事件

        {

            if(revents[i].events & EPOLLIN)                //server读请求就绪

            {

                if(revents[i].data.fd == listenfd)            //读请求来自于client；

                {

                    int sockfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);                //获取client 套接字

                    if(- == sockfd)

                        errsys("accept");

                    debug("incoming: %s\n", inet_ntoa( clientaddr.sin_addr) );

                    struct epoll_event event = {};

                    event.events = EPOLLIN;

                    event.data.fd = sockfd;

                    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &event);            //注册事件，用于 监听 client 发送请求是否就绪

                }

                else

                {

                    int ret = read(revents[i].data.fd, buf[revents[i].data.fd], sizeof buf[]);                //从client 读取

                    if( == ret)                            //client 关闭

                    {

                        close(revents[i].data.fd);

                        epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, revents[i].data.fd, &revents[i]);            //注销监听事件

                    }

                    revents[i].events = EPOLLOUT;                    //读取数据后，读操作请求监听 修改为 server写操作请求就绪监听

                    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_MOD, revents[i].data.fd, &revents[i]);

                }

            }

            else if(revents[i].events & EPOLLOUT)                    // server 写请求就绪

            {

                int ret = write(revents[i].data.fd, buf[revents[i].data.fd], sizeof buf[]);

                printf("ret %d: %d\n", revents[i].data.fd, ret);

                revents[i].events = EPOLLIN;

                epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_MOD, revents[i].data.fd, &revents[i]);    //更改监听事件为 读client 请求

            }

        }

    }

    close(listenfd);

}

我们将实现一个简单的TCP 服务器，该迷你服务器将会在标准输出上打印处客户端发送的数据，首先我们创建并绑定一个 TCP 套接字：

static int

create_and_bind (char *port)

{

  struct addrinfo hints;

  struct addrinfo *result, *rp;

  int s, sfd;

  memset (&hints, , sizeof (struct addrinfo));

  hints.ai_family = AF_UNSPEC;     /* Return IPv4 and IPv6 choices */

  hints.ai_socktype = SOCK_STREAM; /* We want a TCP socket */

  hints.ai_flags = AI_PASSIVE;     /* All interfaces */

  s = getaddrinfo (NULL, port, &hints, &result);

  if (s != )

    {

      fprintf (stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror (s));

      return -;

    }

  for (rp = result; rp != NULL; rp = rp->ai_next)

    {

      sfd = socket (rp->ai_family, rp->ai_socktype, rp->ai_protocol);

      if (sfd == -)

        continue;

      s = bind (sfd, rp->ai_addr, rp->ai_addrlen);

      if (s == )

        {

          /* We managed to bind successfully! */

          break;

        }

      close (sfd);

    }

  if (rp == NULL)

    {

      fprintf (stderr, "Could not bind\n");

      return -;

    }

  freeaddrinfo (result);

  return sfd;

}

create_and_bind() 包含了如何创建 IPv4 和 IPv6 套接字的代码块，它接受一字符串作为端口参数，并在 result 中返回一个 addrinfo 结构，

struct addrinfo
{
  int              ai_flags;
  int              ai_family;
  int              ai_socktype;
  int              ai_protocol;
  size_t           ai_addrlen;
  struct sockaddr *ai_addr;
  char            *ai_canonname;
  struct addrinfo *ai_next;
};

如果函数成功则返回套接字，如果失败，则返回 -1，

下面，我们将一个套接字设置为非阻塞形式，函数如下：

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;
}

接下来，便是主函数代码，主要用于事件循环：

#define MAXEVENTS 64

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]);
  if (sfd == -1)
    abort ();

  s = make_socket_non_blocking (sfd);
  if (s == -1)
    abort ();

  s = listen (sfd, SOMAXCONN);
  if (s == -1)
    {
      perror ("listen");
      abort ();
    }

  efd = epoll_create1 (0);
  if (efd == -1)
    {
      perror ("epoll_create");
      abort ();
    }

  event.data.fd = sfd;
  event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
  s = epoll_ctl (efd, EPOLL_CTL_ADD, sfd, &event);
  if (s == -1)
    {
      perror ("epoll_ctl");
      abort ();
    }

  /* Buffer where events are returned */
  events = calloc (MAXEVENTS, sizeof event);

  /* The event loop */
  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)))
        {
              /* 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)
        {
              /* We have a notification on the listening socket, which
                 means one or more incoming connections. */
              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);
                  if (infd == -1)
                    {
                      if ((errno == EAGAIN) ||
                          (errno == 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);
                    }

                  /* Make the incoming socket non-blocking and add it to the
                     list of fds to monitor. */
                  s = make_socket_non_blocking (infd);
                  if (s == -1)
                    abort ();

                  event.data.fd = infd;
                  event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
                  s = epoll_ctl (efd, EPOLL_CTL_ADD, infd, &event);
                  if (s == -1)
                    {
                      perror ("epoll_ctl");
                      abort ();
                    }
                }
              continue;
            }
          else
            {
              /* We have data on the fd waiting to be read. Read and
                 display it. We must read whatever data is available
                 completely, as we are running in edge-triggered mode
                 and won't get a notification again for the same
                 data. */
              int done = 0;

              while (1)
                {
                  ssize_t count;
                  char buf[512];

                  count = read (events[i].data.fd, buf, sizeof buf);
                  if (count == -1)
                    {
                      /* If errno == EAGAIN, that means we have read all
                         data. So go back to the main loop. */
                      if (errno != EAGAIN)
                        {
                          perror ("read");
                          done = 1;
                        }
                      break;
                    }
                  else if (count == 0)
                    {
                      /* End of file. The remote has closed the
                         connection. */
                      done = 1;
                      break;
                    }

                  /* Write the buffer to standard output */
                  s = write (1, buf, count);
                  if (s == -1)
                    {
                      perror ("write");
                      abort ();
                    }
                }

              if (done)
                {
                  printf ("Closed connection on descriptor %d\n",
                          events[i].data.fd);

                  /* Closing the descriptor will make epoll remove it
                     from the set of descriptors which are monitored. */
                  close (events[i].data.fd);
                }
            }
        }
    }

  free (events);

  close (sfd);

  return EXIT_SUCCESS;
}

main() 首先调用 create_and_bind() 建立套接字，然后将其设置为非阻塞的，再调用 listen(2)。之后创建一个epoll 实例 efd（文件描述符），并将其加入到sfd的监听套接字中以边沿触发方式等待事件输入。

外层的 while 循环是主事件循环，它调用了 epoll_wait(2)，此时线程仍然被阻塞等待事件，当事件可用时，epoll_wait(2) 将会在events参数中返回可用事件。

epoll 实例 efd 在每次事件到来并需要添加新的监听时就会得到更新，并删除死亡的链接。

当事件可用时，可能有一下三种类型：

Errors: 当错误情况出现时，或者不是与读取数据相关的事件通告，我们只是关闭相关的描述符，关闭该描述符会自动的将其从被epoll 实例 efd 监听的的集合中删除。
New connections: 当监听的文件描述符 sfd 可读时，此时会有一个或多个新的连接到来，当新连接到来时，accept(2) 该连接，并打印一条信息，将其设置为非阻塞的并把它加入到被 epoll 实例监听的集合中。
Client data: 当数据在客户端描述符可用时，我们使用 read(2) 在一个内部循环中每次读取512 字节数据。由于我们必须读取所有的可用数据，此时我们并不能获取更多的事件，因为描述符是以边沿触发监听的，读取的数据被写到 stdout (fd=1) (write(2))。如果 read(2) 返回 0，意味着到了文件末尾EOF，我们可以关闭客户端连接，如果返回 -1， errno 会被设置成 EAGAIN, 这意味着所有的数据已经被读取，可以返回主循环了。

（全文完）

参考资料：

http://en.wikipedia.org/wiki/Epoll

https://banu.com/blog/2/how-to-use-epoll-a-complete-example-in-c/

http://blog.csdn.net/ljx0305/article/details/4065058

http://kovyrin.net/2006/04/13/epoll-asynchronous-network-programming/