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  • Linux Epoll介绍和程序实例

    Linux Epoll介绍和程序实例

    1. Epoll是何方神圣？

    Epoll可是当前在Linux下开发大规模并发网络程序的热门人选，Epoll 在Linux2.6内核中正式引入，和select相似，其实都I/O多路复用技术而已，并没有什么神秘的。

    其实在Linux下设计并发网络程序，向来不缺少方法，比如典型的Apache模型（Process Per Connection，简称PPC），TPC（Thread PerConnection）模型，以及select模型和poll模型，那为何还要再引入Epoll这个东东呢？那还是有得说说的…

    2. 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。

    2.1 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。

    2.2 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。

    2.3 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。

    3. 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。

    3.1. 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。

    3.2. 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。

    3.3. 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。

    4. 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，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+1, &readfds, NULL, NULL, 120);

    if(res > 0)

    {

        for(int i = 0; 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。

    intres = epoll_wait(epfd, events, 20, 120);

    for(int i = 0; i < res;i++)

    {

        handleEvent(events[n]);

    }

    5. Epoll关键数据结构

    前面提到Epoll速度快和其数据结构密不可分，其关键数据结构就是：

    structepoll_event {

        __uint32_t events;      // Epoll events

        epoll_data_t data;      // User datavariable

    };

    typedef union epoll_data {

        void *ptr;

       int fd;

        __uint32_t u32;

        __uint64_t u64;

    } epoll_data_t;

    可见epoll_data是一个union结构体,借助于它应用程序可以保存很多类型的信息:fd、指针等等。有了它，应用程序就可以直接定位目标了。

    6. 使用Epoll

    既然Epoll相比select这么好，那么用起来如何呢？会不会很繁琐啊…先看看下面的三个函数吧，就知道Epoll的易用了。

     

    intepoll_create(int size);

    生成一个Epoll专用的文件描述符，其实是申请一个内核空间，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，大小自定，只要内存足够。

    intepoll_ctl(int epfd, intop, int fd, structepoll_event *event);

    控制某个Epoll文件描述符上的事件：注册、修改、删除。其中参数epfd是epoll_create()创建Epoll专用的文件描述符。相对于select模型中的FD_SET和FD_CLR宏。

    intepoll_wait(int epfd,structepoll_event * events,int maxevents,int timeout);

    等待I/O事件的发生；参数说明：

    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；

    返回发生事件数。

    相对于select模型中的select函数。

    7. 例子程序

    下面是一个简单Echo Server的例子程序，麻雀虽小，五脏俱全，还包含了一个简单的超时检查机制，简洁起见没有做错误处理。

    [cpp] view plaincopy
    1. //     
    2. // a simple echo server using epoll in linux    
    3. //     
    4. // 2009-11-05    
    5. // 2013-03-22:修改了几个问题，1是/n格式问题，2是去掉了原代码不小心加上的ET模式;  
    6. // 本来只是简单的示意程序，决定还是加上 recv/send时的buffer偏移  
    7. // by sparkling    
    8. //     
    9. #include <sys/socket.h>    
    10. #include <sys/epoll.h>    
    11. #include <netinet/in.h>    
    12. #include <arpa/inet.h>    
    13. #include <fcntl.h>    
    14. #include <unistd.h>    
    15. #include <stdio.h>    
    16. #include <errno.h>    
    17. #include <iostream>    
    18. using namespace std;    
    19. #define MAX_EVENTS 500    
    20. struct myevent_s    
    21. {    
    22.     int fd;    
    23.     void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);    
    24.     int events;    
    25.     void *arg;    
    26.     int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in    
    27.     char buff[128]; // recv data buffer    
    28.     int len, s_offset;    
    29.     long last_active; // last active time    
    30. };    
    31. // set event    
    32. void EventSet(myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void*), void *arg)    
    33. {    
    34.     ev->fd = fd;    
    35.     ev->call_back = call_back;    
    36.     ev->events = 0;    
    37.     ev->arg = arg;    
    38.     ev->status = 0;  
    39.     bzero(ev->buff, sizeof(ev->buff));  
    40.     ev->s_offset = 0;    
    41.     ev->len = 0;  
    42.     ev->last_active = time(NULL);    
    43. }    
    44. // add/mod an event to epoll    
    45. void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev)    
    46. {    
    47.     struct epoll_event epv = {0, {0}};    
    48.     int op;    
    49.     epv.data.ptr = ev;    
    50.     epv.events = ev->events = events;    
    51.     if(ev->status == 1){    
    52.         op = EPOLL_CTL_MOD;    
    53.     }    
    54.     else{    
    55.         op = EPOLL_CTL_ADD;    
    56.         ev->status = 1;    
    57.     }    
    58.     if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0)    
    59.         printf("Event Add failed[fd=%d], evnets[%d] ", ev->fd, events);    
    60.     else    
    61.         printf("Event Add OK[fd=%d], op=%d, evnets[%0X] ", ev->fd, op, events);    
    62. }    
    63. // delete an event from epoll    
    64. void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev)    
    65. {    
    66.     struct epoll_event epv = {0, {0}};    
    67.     if(ev->status != 1) return;    
    68.     epv.data.ptr = ev;    
    69.     ev->status = 0;  
    70.     epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);    
    71. }    
    72. int g_epollFd;    
    73. myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd    
    74. void RecvData(int fd, int events, void *arg);    
    75. void SendData(int fd, int events, void *arg);    
    76. // accept new connections from clients    
    77. void AcceptConn(int fd, int events, void *arg)    
    78. {    
    79.     struct sockaddr_in sin;    
    80.     socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);    
    81.     int nfd, i;    
    82.     // accept    
    83.     if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1)    
    84.     {    
    85.         if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)    
    86.         {    
    87.         }  
    88.         printf("%s: accept, %d", __func__, errno);    
    89.         return;    
    90.     }    
    91.     do    
    92.     {    
    93.         for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)    
    94.         {    
    95.             if(g_Events[i].status == 0)    
    96.             {    
    97.                 break;    
    98.             }    
    99.         }    
    100.         if(i == MAX_EVENTS)    
    101.         {    
    102.             printf("%s:max connection limit[%d].", __func__, MAX_EVENTS);    
    103.             break;    
    104.         }    
    105.         // set nonblocking  
    106.         int iret = 0;  
    107.         if((iret = fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0)  
    108.         {  
    109.             printf("%s: fcntl nonblocking failed:%d", __func__, iret);  
    110.             break;  
    111.         }  
    112.         // add a read event for receive data    
    113.         EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]);    
    114.         EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, &g_Events[i]);    
    115.     }while(0);    
    116.     printf("new conn[%s:%d][time:%d], pos[%d] ", inet_ntoa(sin.sin_addr),   
    117.             ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active, i);    
    118. }    
    119. // receive data    
    120. void RecvData(int fd, int events, void *arg)    
    121. {    
    122.     struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;    
    123.     int len;    
    124.     // receive data  
    125.     len = recv(fd, ev->buff+ev->len, sizeof(ev->buff)-1-ev->len, 0);      
    126.     EventDel(g_epollFd, ev);  
    127.     if(len > 0)  
    128.     {  
    129.         ev->len += len;  
    130.         ev->buff[len] = '';    
    131.         printf("C[%d]:%s ", fd, ev->buff);    
    132.         // change to send event    
    133.         EventSet(ev, fd, SendData, ev);    
    134.         EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT, ev);    
    135.     }    
    136.     else if(len == 0)    
    137.     {    
    138.         close(ev->fd);    
    139.         printf("[fd=%d] pos[%d], closed gracefully. ", fd, ev-g_Events);    
    140.     }    
    141.     else    
    142.     {    
    143.         close(ev->fd);    
    144.         printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s ", fd, errno, strerror(errno));    
    145.     }    
    146. }    
    147. // send data    
    148. void SendData(int fd, int events, void *arg)    
    149. {    
    150.     struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;    
    151.     int len;    
    152.     // send data    
    153.     len = send(fd, ev->buff + ev->s_offset, ev->len - ev->s_offset, 0);  
    154.     if(len > 0)    
    155.     {  
    156.         printf("send[fd=%d], [%d<->%d]%s ", fd, len, ev->len, ev->buff);  
    157.         ev->s_offset += len;  
    158.         if(ev->s_offset == ev->len)  
    159.         {  
    160.             // change to receive event  
    161.             EventDel(g_epollFd, ev);    
    162.             EventSet(ev, fd, RecvData, ev);    
    163.             EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, ev);    
    164.         }  
    165.     }    
    166.     else    
    167.     {    
    168.         close(ev->fd);    
    169.         EventDel(g_epollFd, ev);    
    170.         printf("send[fd=%d] error[%d] ", fd, errno);    
    171.     }    
    172. }    
    173. void InitListenSocket(int epollFd, short port)    
    174. {    
    175.     int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);    
    176.     fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking    
    177.     printf("server listen fd=%d ", listenFd);    
    178.     EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVENTS]);    
    179.     // add listen socket    
    180.     EventAdd(epollFd, EPOLLIN, &g_Events[MAX_EVENTS]);    
    181.     // bind & listen    
    182.     sockaddr_in sin;    
    183.     bzero(&sin, sizeof(sin));    
    184.     sin.sin_family = AF_INET;    
    185.     sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;    
    186.     sin.sin_port = htons(port);    
    187.     bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin));    
    188.     listen(listenFd, 5);    
    189. }    
    190. int main(int argc, char **argv)    
    191. {    
    192.     unsigned short port = 12345; // default port    
    193.     if(argc == 2){    
    194.         port = atoi(argv[1]);    
    195.     }    
    196.     // create epoll    
    197.     g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS);    
    198.     if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d ", g_epollFd);    
    199.     // create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking    
    200.     InitListenSocket(g_epollFd, port);    
    201.     // event loop    
    202.     struct epoll_event events[MAX_EVENTS];    
    203.     printf("server running:port[%d] ", port);    
    204.     int checkPos = 0;    
    205.     while(1){    
    206.         // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event    
    207.         long now = time(NULL);    
    208.         for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd    
    209.         {    
    210.             if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle    
    211.             if(g_Events[checkPos].status != 1) continue;    
    212.             long duration = now - g_Events[checkPos].last_active;    
    213.             if(duration >= 60) // 60s timeout    
    214.             {    
    215.                 close(g_Events[checkPos].fd);    
    216.                 printf("[fd=%d] timeout[%d--%d]. ", g_Events[checkPos].fd, g_Events[checkPos].last_active, now);    
    217.                 EventDel(g_epollFd, &g_Events[checkPos]);    
    218.             }    
    219.         }    
    220.         // wait for events to happen    
    221.         int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000);    
    222.         if(fds < 0){    
    223.             printf("epoll_wait error, exit ");    
    224.             break;    
    225.         }    
    226.         for(int i = 0; i < fds; i++){    
    227.             myevent_s *ev = (struct myevent_s*)events[i].data.ptr;    
    228.             if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN)) // read event    
    229.             {    
    230.                 ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);    
    231.             }    
    232.             if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT)) // write event    
    233.             {    
    234.                 ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);    
    235.             }    
    236.         }    
    237.     }    
    238.     // free resource    
    239.     return 0;    
    240. }     
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