epoll机制:epoll_create、epoll_ctl、epoll_wait、close

蔚落 2022-09-18 06:00 120阅读 0赞

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, 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，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。  
\------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------  
  
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=%d\n",
                                   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。