[转] 深度理解select、poll和epoll

原文链接：

    https://blog.csdn.net/davidsguo008/article/details/73556811

在linux 没有实现epoll事件驱动机制之前，我们一般选择用select或者poll等IO多路复用的方法来实现并发服务程序。在大数据、高并发、集群等一些名词唱得火热之年代，select和poll的用武之地越来越有限，风头已经被epoll占尽。

本文便来介绍epoll的实现机制，并附带讲解一下select和poll。通过对比其不同的实现机制，真正理解为何epoll能实现高并发。

select()和poll() IO多路复用模型

select的缺点：

1. 单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，通常是1024，当然可以更改数量，但由于select采用轮询的方式扫描文件描述符，文件描述符数量越多，性能越差；(在linux内核头文件中，有这样的定义：#define __FD_SETSIZE    1024)
2. 内核 / 用户空间内存拷贝问题，select需要复制大量的句柄数据结构，产生巨大的开销；
3. select返回的是含有整个句柄的数组，应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件；
4. select的触发方式是水平触发，应用程序如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行IO操作，那么之后每次select调用还是会将这些文件描述符通知进程。

相比select模型，poll使用链表保存文件描述符，因此没有了监视文件数量的限制，但其他三个缺点依然存在。

拿select模型为例，假设我们的服务器需要支持100万的并发连接，则在__FD_SETSIZE 为1024的情况下，则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。除了进程间上下文切换的时间消耗外，从内核/用户空间大量的无脑内存拷贝、数组轮询等，是系统难以承受的。因此，基于select模型的服务器程序，要达到10万级别的并发访问，是一个很难完成的任务。

因此，该epoll上场了。

epoll IO多路复用模型实现机制

由于epoll的实现机制与select/poll机制完全不同，上面所说的 select的缺点在epoll上不复存在。

设想一下如下场景：有100万个客户端同时与一个服务器进程保持着TCP连接。而每一时刻，通常只有几百上千个TCP连接是活跃的(事实上大部分场景都是这种情况)。如何实现这样的高并发？

在select/poll时代，服务器进程每次都把这100万个连接告诉操作系统(从用户态复制句柄数据结构到内核态)，让操作系统内核去查询这些套接字上是否有事件发生，轮询完后，再将句柄数据复制到用户态，让服务器应用程序轮询处理已发生的网络事件，这一过程资源消耗较大，因此，select/poll一般只能处理几千的并发连接。

epoll的设计和实现与select完全不同。epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统(文件系统一般用什么数据结构实现？B+树)。把原先的select/poll调用分成了3个部分：

1）调用epoll_create()建立一个epoll对象(在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源)

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收集发生的事件的连接

如此一来，要实现上面说是的场景，只需要在进程启动时建立一个epoll对象，然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同时，epoll_wait的效率也非常高，因为调用epoll_wait时，并没有一股脑的向操作系统复制这100万个连接的句柄数据，内核也不需要去遍历全部的连接。

下面来看看Linux内核具体的epoll机制实现思路。

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。eventpoll结构体如下所示：

1.  
   struct eventpoll{
2.  
   ....
3.  
   /*红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/
4.  
   struct rb_root rbr;
5.  
   /*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/
6.  
   struct list_head rdlist;
7.  
   ....
8.  
   };

每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体，用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。这些事件都会挂载在红黑树中，如此，重复添加的事件就可以通过红黑树而高效的识别出来(红黑树的插入时间效率是lgn，其中n为树的高度)。

而所有添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系，也就是说，当相应的事件发生时会调用这个回调方法。这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback,它会将发生的事件添加到rdlist双链表中。

在epoll中，对于每一个事件，都会建立一个epitem结构体，如下所示：

1.  
   struct epitem{
2.  
   struct rb_node rbn;//红黑树节点
3.  
   struct list_head rdllink;//双向链表节点
4.  
   struct epoll_filefd ffd; //事件句柄信息
5.  
   struct eventpoll *ep; //指向其所属的eventpoll对象
6.  
   struct epoll_event event; //期待发生的事件类型
7.  
   }

当调用epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不为空，则把发生的事件复制到用户态，同时将事件数量返回给用户。

epoll数据结构示意图

从上面的讲解可知：通过红黑树和双链表数据结构，并结合回调机制，造就了epoll的高效。

OK，讲解完了Epoll的机理，我们便能很容易掌握epoll的用法了。一句话描述就是：三步曲。

第一步：epoll_create()系统调用。此调用返回一个句柄，之后所有的使用都依靠这个句柄来标识。

第二步：epoll_ctl()系统调用。通过此调用向epoll对象中添加、删除、修改感兴趣的事件，返回0标识成功，返回-1表示失败。

第三部：epoll_wait()系统调用。通过此调用收集收集在epoll监控中已经发生的事件。

最后，附上一个epoll编程实例。(作者为sparkliang)

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.  
     }