epoll原理详解及epoll反应堆模型

墨蓝 2023-06-10 05:29 148阅读 0赞

设想一个场景：有100万用户同时与一个进程保持着TCP连接，而每一时刻只有几十个或几百个TCP连接是活跃的(接收TCP包)，也就是说在每一时刻进程只需要处理这100万连接中的一小部分连接。那么，如何才能高效的处理这种场景呢？进程是否在每次询问操作系统收集有事件发生的TCP连接时，把这100万个连接告诉操作系统，然后由操作系统找出其中有事件发生的几百个连接呢？实际上，在Linux2.4版本以前，那时的select或者poll事件驱动方式是这样做的。

这里有个非常明显的问题，即在某一时刻，进程收集有事件的连接时，其实这100万连接中的大部分都是没有事件发生的。因此如果每次收集事件时，都把100万连接的套接字传给操作系统(这首先是用户态内存到内核态内存的大量复制)，而由操作系统内核寻找这些连接上有没有未处理的事件，将会是巨大的资源浪费，然后select和poll就是这样做的，因此它们最多只能处理几千个并发连接。而epoll不这样做，它在Linux内核中申请了一个简易的文件系统，把原先的一个select或poll调用分成了3部分：

int epoll_create(int size);  
    int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);  
    int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,int maxevents, int timeout);  
    
    1. 调用epoll_create建立一个epoll对象(在epoll文件系统中给这个句柄分配资源)；
    
    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收集发生事件的连接。

这样只需要在进程启动时建立1个epoll对象，并在需要的时候向它添加或删除连接就可以了，因此，在实际收集事件时，epoll\_wait的效率就会非常高，因为调用epoll\_wait时并没有向它传递这100万个连接，内核也不需要去遍历全部的连接。

# 一、epoll原理详解     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，如下所示： #

struct eventpoll {
    　　...
    　　/*红黑树的根节点，这棵树中存储着所有添加到epoll中的事件，
    　　也就是这个epoll监控的事件*/
    　　struct rb_root rbr;
    　　/*双向链表rdllist保存着将要通过epoll_wait返回给用户的、满足条件的事件*/
    　　struct list_head rdllist;
    　　...
    };

我们在调用epoll\_create时，内核除了帮我们在epoll文件系统里建了个file结点，在内核cache里建了个红黑树用于存储以后epoll\_ctl传来的socket外，还会再建立一个rdllist双向链表，用于存储准备就绪的事件，当epoll\_wait调用时，仅仅观察这个rdllist双向链表里有没有数据即可。有数据就返回，没有数据就sleep，等到timeout时间到后即使链表没数据也返回。所以，epoll\_wait非常高效。

所有添加到epoll中的事件都会与设备(如网卡)驱动程序建立回调关系，也就是说相应事件的发生时会调用这里的回调方法。这个回调方法在内核中叫做ep\_poll\_callback，它会把这样的事件放到上面的rdllist双向链表中。

在epoll中对于每一个事件都会建立一个epitem结构体，如下所示：

struct epitem {
    　　...
    　　//红黑树节点
    　　struct rb_node rbn;
    　　//双向链表节点
    　　struct list_head rdllink;
    　　//事件句柄等信息
    　　struct epoll_filefd ffd;
    　　//指向其所属的eventepoll对象
    　　struct eventpoll *ep;
    　　//期待的事件类型
    　　struct epoll_event event;
    　　...
    }; // 这里包含每一个事件对应着的信息。

当调用epoll\_wait检查是否有发生事件的连接时，只是检查eventpoll对象中的rdllist双向链表是否有epitem元素而已，如果rdllist链表不为空，则这里的事件复制到用户态内存（使用共享内存提高效率）中，同时将事件数量返回给用户。因此epoll\_waitx效率非常高。epoll\_ctl在向epoll对象中添加、修改、删除事件时，从rbr红黑树中查找事件也非常快，也就是说epoll是非常高效的，它可以轻易地处理百万级别的并发连接。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FybWxpbnV4d3c_size_16_color_FFFFFF_t_70][]  
【总结】：

一颗红黑树，一张准备就绪句柄链表，少量的内核cache，就帮我们解决了大并发下的socket处理问题。

*  执行epoll\_create()时，创建了红黑树和就绪链表；
 *  执行epoll\_ctl()时，如果增加socket句柄，则检查在红黑树中是否存在，存在立即返回，不存在则添加到树干上，然后向内核注册回调函数，用于当中断事件来临时向准备就绪链表中插入数据；
 *  执行epoll\_wait()时立刻返回准备就绪链表里的数据即可。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FybWxpbnV4d3c_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

# 二、epoll的两种触发模式     epoll有EPOLLLT和EPOLLET两种触发模式，LT是默认的模式，ET是“高速”模式。 #

*  LT（水平触发）模式下，只要这个文件描述符还有数据可读，每次 epoll\_wait都会返回它的事件，提醒用户程序去操作；
 *  ET（边缘触发）模式下，在它检测到有 I/O 事件时，通过 epoll\_wait 调用会得到有事件通知的文件描述符，对于每一个被通知的文件描述符，如可读，则必须将该文件描述符一直读到空，让 errno 返回 EAGAIN 为止，否则下次的 epoll\_wait 不会返回余下的数据，会丢掉事件。如果ET模式不是非阻塞的，那这个一直读或一直写势必会在最后一次阻塞。

还有一个特点是，epoll使用“事件”的就绪通知方式，通过epoll\_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，epoll\_wait便可以收到通知。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FybWxpbnV4d3c_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

# 【epoll为什么要有EPOLLET触发模式？】： #

如果采用EPOLLLT模式的话，系统中一旦有大量你不需要读写的就绪文件描述符，它们每次调用epoll\_wait都会返回，这样会大大降低处理程序检索自己关心的就绪文件描述符的效率.。而采用EPOLLET这种边缘触发模式的话，当被监控的文件描述符上有可读写事件发生时，epoll\_wait()会通知处理程序去读写。如果这次没有把数据全部读写完(如读写缓冲区太小)，那么下次调用epoll\_wait()时，它不会通知你，也就是它只会通知你一次，直到该文件描述符上出现第二次可读写事件才会通知你！！！这种模式比水平触发效率高，系统不会充斥大量你不关心的就绪文件描述符。

【总结】：

ET模式（边缘触发）只有数据到来才触发，不管缓存区中是否还有数据，缓冲区剩余未读尽的数据不会导致epoll\_wait返回；

LT 模式（水平触发，默认）只要有数据都会触发，缓冲区剩余未读尽的数据会导致epoll\_wait返回。

# 三、epoll反应堆模型   【epoll模型原来的流程】： #

epoll\_create(); // 创建监听红黑树  
epoll\_ctl(); // 向书上添加监听fd  
epoll\_wait(); // 监听  
有监听fd事件发送--->返回监听满足数组--->判断返回数组元素--->  
lfd满足accept--->返回cfd---->read()读数据--->write()给客户端回应。  
  
【epoll反应堆模型的流程】：

epoll\_create(); // 创建监听红黑树  
epoll\_ctl(); // 向书上添加监听fd  
epoll\_wait(); // 监听  
有客户端连接上来--->lfd调用acceptconn()--->将cfd挂载到红黑树上监听其读事件--->  
epoll\_wait()返回cfd--->cfd回调recvdata()--->将cfd摘下来监听写事件--->  
epoll\_wait()返回cfd--->cfd回调senddata()--->将cfd摘下来监听读事件--->...--->

【Demo】：
    
    #include <stdio.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <sys/epoll.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <unistd.h>
    #include <errno.h>
    #include <string.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <time.h>
    
    #define MAX_EVENTS 1024 /*监听上限*/
    #define BUFLEN  4096    /*缓存区大小*/
    #define SERV_PORT 6666  /*端口号*/
    
    void recvdata(int fd,int events,void *arg);
    void senddata(int fd,int events,void *arg);
    
    /*描述就绪文件描述符的相关信息*/
    struct myevent_s
    {
        int fd;             //要监听的文件描述符
        int events;         //对应的监听事件，EPOLLIN和EPLLOUT
        void *arg;          //指向自己结构体指针
        void (*call_back)(int fd,int events,void *arg); //回调函数
        int status;         //是否在监听:1->在红黑树上(监听), 0->不在(不监听)
        char buf[BUFLEN];   
        int len;
        long last_active;   //记录每次加入红黑树 g_efd 的时间值
    };
    
    int g_efd;      //全局变量，作为红黑树根
    struct myevent_s g_events[MAX_EVENTS+1];    //自定义结构体类型数组. +1-->listen fd
    
    
    /*
     * 封装一个自定义事件，包括fd，这个fd的回调函数，还有一个额外的参数项
     * 注意：在封装这个事件的时候，为这个事件指明了回调函数，一般来说，一个fd只对一个特定的事件
     * 感兴趣，当这个事件发生的时候，就调用这个回调函数
     */
    void eventset(struct myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int fd,int events,void *arg), void *arg)
    {
        ev->fd = fd;
        ev->call_back = call_back;
        ev->events = 0;
        ev->arg = arg;
        ev->status = 0;
        if(ev->len <= 0)
        {
            memset(ev->buf, 0, sizeof(ev->buf));
            ev->len = 0;
        }
        ev->last_active = time(NULL); //调用eventset函数的时间
        return;
    }
    
    /* 向 epoll监听的红黑树 添加一个文件描述符 */
    void eventadd(int efd, int events, struct myevent_s *ev)
    {
        struct epoll_event epv={0, {0}};
        int op = 0;
        epv.data.ptr = ev; // ptr指向一个结构体（之前的epoll模型红黑树上挂载的是文件描述符cfd和lfd，现在是ptr指针）
        epv.events = ev->events = events; //EPOLLIN 或 EPOLLOUT
        if(ev->status == 0)       //status 说明文件描述符是否在红黑树上 0不在，1 在
        {
            op = EPOLL_CTL_ADD; //将其加入红黑树 g_efd, 并将status置1
            ev->status = 1;
        }
        if(epoll_ctl(efd, op, ev->fd, &epv) < 0) // 添加一个节点
            printf("event add failed [fd=%d],events[%d]\n", ev->fd, events);
        else
            printf("event add OK [fd=%d],events[%0X]\n", ev->fd, events);
        return;
    }
    
    /* 从epoll 监听的 红黑树中删除一个文件描述符*/
    void eventdel(int efd,struct myevent_s *ev)
    {
        struct epoll_event epv = {0, {0}};
        if(ev->status != 1) //如果fd没有添加到监听树上，就不用删除，直接返回
            return;
        epv.data.ptr = NULL;
        ev->status = 0;
        epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);
        return;
    }
    
    /*  当有文件描述符就绪, epoll返回, 调用该函数与客户端建立链接 */
    void acceptconn(int lfd,int events,void *arg)
    {
        struct sockaddr_in cin;
        socklen_t len = sizeof(cin);
        int cfd, i;
        if((cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cin, &len)) == -1)
        {
            if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)
            {
                sleep(1);
            }
            printf("%s:accept,%s\n",__func__, strerror(errno));
            return;
        }
        do
        {
            for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++) //从全局数组g_events中找一个空闲元素，类似于select中找值为-1的元素
            {
                if(g_events[i].status ==0)
                    break;
            }
            if(i == MAX_EVENTS) // 超出连接数上限
            {
                printf("%s: max connect limit[%d]\n", __func__, MAX_EVENTS);
                break;
            }
            int flag = 0;
            if((flag = fcntl(cfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0) //将cfd也设置为非阻塞
            {
                printf("%s: fcntl nonblocking failed, %s\n", __func__, strerror(errno));
                break;
            }
            eventset(&g_events[i], cfd, recvdata, &g_events[i]); //找到合适的节点之后，将其添加到监听树中，并监听读事件
            eventadd(g_efd, EPOLLIN, &g_events[i]);
        }while(0);
    
        printf("new connect[%s:%d],[time:%ld],pos[%d]",inet_ntoa(cin.sin_addr), ntohs(cin.sin_port), g_events[i].last_active, i);
        return;
    }
    
    /*读取客户端发过来的数据的函数*/
    void recvdata(int fd, int events, void *arg)
    {
        struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)arg;
        int len;
    
        len = recv(fd, ev->buf, sizeof(ev->buf), 0);    //读取客户端发过来的数据
    
        eventdel(g_efd, ev);                            //将该节点从红黑树上摘除
    
        if (len > 0) 
        {
            ev->len = len;
            ev->buf[len] = '\0';                        //手动添加字符串结束标记
            printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buf);                  
    
            eventset(ev, fd, senddata, ev);             //设置该fd对应的回调函数为senddata    
            eventadd(g_efd, EPOLLOUT, ev);              //将fd加入红黑树g_efd中,监听其写事件    
    
        } 
        else if (len == 0) 
        {
            close(ev->fd);
            /* ev-g_events 地址相减得到偏移元素位置 */
            printf("[fd=%d] pos[%ld], closed\n", fd, ev-g_events);
        } 
        else 
        {
            close(ev->fd);
            printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno));
        }   
        return;
    }
    
    /*发送给客户端数据*/
    void senddata(int fd, int events, void *arg)
    {
        struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)arg;
        int len;
    
        len = send(fd, ev->buf, ev->len, 0);    //直接将数据回射给客户端
    
        eventdel(g_efd, ev);                    //从红黑树g_efd中移除
    
        if (len > 0) 
        {
            printf("send[fd=%d], [%d]%s\n", fd, len, ev->buf);
            eventset(ev, fd, recvdata, ev);     //将该fd的回调函数改为recvdata
            eventadd(g_efd, EPOLLIN, ev);       //重新添加到红黑树上，设为监听读事件
        }
        else 
        {
            close(ev->fd);                      //关闭链接
            printf("send[fd=%d] error %s\n", fd, strerror(errno));
        }
        return ;
    }
    
    /*创建 socket, 初始化lfd */
    
    void initlistensocket(int efd, short port)
    {
        struct sockaddr_in sin;
    
        int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        fcntl(lfd, F_SETFL, O_NONBLOCK);                //将socket设为非阻塞
    
        memset(&sin, 0, sizeof(sin));               //bzero(&sin, sizeof(sin))
        sin.sin_family = AF_INET;
        sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
        sin.sin_port = htons(port);
    
        bind(lfd, (struct sockaddr *)&sin, sizeof(sin));
    
        listen(lfd, 20);
    
        /* void eventset(struct myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void *), void *arg);  */
        eventset(&g_events[MAX_EVENTS], lfd, acceptconn, &g_events[MAX_EVENTS]);    
    
        /* void eventadd(int efd, int events, struct myevent_s *ev) */
        eventadd(efd, EPOLLIN, &g_events[MAX_EVENTS]);  //将lfd添加到监听树上，监听读事件
    
        return;
    }
    
    int main()
    {
        int port=SERV_PORT;
    
        g_efd = epoll_create(MAX_EVENTS + 1); //创建红黑树,返回给全局 g_efd
        if(g_efd <= 0)
                printf("create efd in %s err %s\n", __func__, strerror(errno));
        
        initlistensocket(g_efd, port); //初始化监听socket
        
        struct epoll_event events[MAX_EVENTS + 1];  //定义这个结构体数组，用来接收epoll_wait传出的满足监听事件的fd结构体
        printf("server running:port[%d]\n", port);
    
        int checkpos = 0;
        int i;
        while(1)
        {
        /*    long now = time(NULL);
            for(i=0; i < 100; i++, checkpos++)
            {
                if(checkpos == MAX_EVENTS);
                    checkpos = 0;
                if(g_events[checkpos].status != 1)
                    continue;
                long duration = now -g_events[checkpos].last_active;
                if(duration >= 60)
                {
                    close(g_events[checkpos].fd);
                    printf("[fd=%d] timeout\n", g_events[checkpos].fd);
                    eventdel(g_efd, &g_events[checkpos]);
                }
            } */
            //调用eppoll_wait等待接入的客户端事件,epoll_wait传出的是满足监听条件的那些fd的struct epoll_event类型
            int nfd = epoll_wait(g_efd, events, MAX_EVENTS+1, 1000);
            if (nfd < 0)
            {
                printf("epoll_wait error, exit\n");
                exit(-1);
            }
            for(i = 0; i < nfd; i++)
            {
                //evtAdd()函数中，添加到监听树中监听事件的时候将myevents_t结构体类型给了ptr指针
                //这里epoll_wait返回的时候，同样会返回对应fd的myevents_t类型的指针
                struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)events[i].data.ptr;
                //如果监听的是读事件，并返回的是读事件
                if((events[i].events & EPOLLIN) &&(ev->events & EPOLLIN))
                {
                    ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
                }
                //如果监听的是写事件，并返回的是写事件
                if((events[i].events & EPOLLOUT) && (ev->events & EPOLLOUT))
                {
                    ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
                }
            }
        }
        return 0;
    }

参考：

https://blog.csdn.net/qq\_36359022/article/details/81355897  
https://blog.csdn.net/weixin\_40204595/article/details/83213332  
http://www.cnblogs.com/pluser/p/epoll\_principles.html  
https://www.cnblogs.com/aspirant/p/9166944.html

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