Socket网络编程--epoll小结

　　以前使用的用于I/O多路复用为了方便就使用select函数，但select这个函数是有缺陷的。因为它所支持的并发连接数是有限的(一般小于1024)，因为用户处理的数组是使用硬编码的。这个最大值为FD_SETSIZE，这是在<sys/select.h>中的一个常量，它说明了最大的描述符数。但是对于大多数应用程序而言，这个数是够用的，而且有可能还是太大的，多数应用程序只使用3~10个描述符。而如今的网络服务器小小的都有几万的连接，虽然可以使用多线程多进程(也就有N*1024个)。但是这样处理起来既不方面，性能又低。

　　同时期有I/O多路复用的还有一个poll函数，这个函数类似于select，但是其应用程序接口有所不用。原型如下

　　#include <poll.h>
　　int poll(struct pollfd fdarray[], nfds_t nfds, int timeout);

　　//返回值: 准备就绪的描述符数，若超时则返回0，出错返回-1

　　如果只是考虑性能的话，poll()也是不合适的，尽管它可以支持较高的TCP并发连接数，但是由于其采用“轮询”机制(遍历数组而已)，但并发数较高时，其运行效率相当低(如果有10k个连接，单用于轮询的时间就需要1~10ms了)，同时还可能存在I/O事件分配不均，导致部分TCP连接上的I/O出现“饥饿”现象。基于种种原因在Linux 2.5.44版本后poll被epoll取代。
　　支持一个进程打开最大数目的 socket 描述符(FD)。select 最不能忍受的是一个进程所打开的FD 是有一定限制的,由 FD_SETSIZE 设置,默认值是 2048。对于那些需要支持的上万连接数目的 IM 服务器来说显然太少了。这时候你一是可以选择修改这个宏然后重新编译内核,不过资料也同时指出这样会带来网络效率的下降,二是可以选择多进程的解决方案(传统的 Apache 方案Process Per Connection,TPC方案 Thread Per Connection),不过虽然 linux 上面创建进程的代价比较小,但仍旧是不可忽视的,加上进程间数据同步远比不上线程间同步的高效,所以也不是一种完美的方案。不过 epoll 则没有这个限制,它所支持的 FD 上限是最大可以打开文件的数目,这个数字一般远大于 2048,举个例子,在 1GB 内存的机器上大约是 10 万左右,具体数目可以 cat /proc/sys/fs/file-max 察看,一般来说这个数目和系统内存关系很大。
由于epoll这个函数是后增加上的，造成现在很少有资料提及到，我看了APUE，UNPv1等书都没有找到相关的函数原型。所以我只能从网络上抄一些函数原型过来了。

 　　epoll用到的所有函数都是在头文件sys/epoll.h中声明，有什么地方不明白或函数忘记了可以去看一下或者man epoll。epoll和select相比，最大不同在于:

　　epoll返回时已经明确的知道哪个sokcet fd发生了事件，不用再一个个比对(轮询)。这样就提高了效率。select的FD_SETSIZE是有限制的，而epoll是没有限制的只与系统资源有关。

　　epoll_create函数

/* Creates an epoll instance.  Returns an fd for the new instance.
   The "size" parameter is a hint specifying the number of file
   descriptors to be associated with the new instance.  The fd
   returned by epoll_create() should be closed with close().  */
extern int epoll_create (int __size) __THROW;

　　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。这个数没有select的1024约束。

　　epoll_ctl函数

/* Manipulate an epoll instance "epfd". Returns 0 in case of success,
   -1 in case of error ( the "errno" variable will contain the
   specific error code ) The "op" parameter is one of the EPOLL_CTL_*
   constants defined above. The "fd" parameter is the target of the
   operation. The "event" parameter describes which events the caller
   is interested in and any associated user data.  */
extern int epoll_ctl (int __epfd, int __op, int __fd,
                      struct epoll_event *__event) __THROW;
/* Valid opcodes ( "op" parameter ) to issue to epoll_ctl(). */
#define EPOLL_CTL_ADD 1 /* Add a file descriptor to the interface. */
#define EPOLL_CTL_DEL 2 /* Remove a file descriptor from the interface. */
#define EPOLL_CTL_MOD 3 /* Change file descriptor epoll_event structure. */

　　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；
　　　　　　返回值:如果调用成功返回0,不成功返回-1

　　用到的数据结构

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 */
};

　　设置实例

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);
//常用的事件类型:
EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读；
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
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：表示对应的文件描述符有事件发生；
//具体可以看<sys/epoll.h>

　　epoll_wait函数

/* Wait for events on an epoll instance "epfd". Returns the number of
   triggered events returned in "events" buffer. Or -1 in case of
   error with the "errno" variable set to the specific error code. The
   "events" parameter is a buffer that will contain triggered
   events. The "maxevents" is the maximum number of events to be
   returned ( usually size of "events" ). The "timeout" parameter
   specifies the maximum wait time in milliseconds (-1 == infinite).
   This function is a cancellation point and therefore not marked with
   __THROW.  */
extern int epoll_wait (int __epfd, struct epoll_event *__events,
                       int __maxevents, int __timeout);


/* Same as epoll_wait, but the thread's signal mask is temporarily
   and atomically replaced with the one provided as parameter.
   This function is a cancellation point and therefore not marked with
   __THROW.  */
extern int epoll_pwait (int __epfd, struct epoll_event *__events,
                        int __maxevents, int __timeout,
                        __const __sigset_t *__ss);

　　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(单位应该是ms)；-1相当于阻塞，0相当于非阻塞。一般用-1即可

　　　　　　返回值:返回发生事件数。如出错则返回-1。

 　　下面给一个man手册里面的例子

#define MAX_EVENTS 10
struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];
int listen_sock, conn_sock, nfds, epollfd;

/* Set up listening socket, 'listen_sock' (socket(),
   bind(), listen()) */

epollfd = epoll_create(10);
if (epollfd == -1) {
    perror("epoll_create");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = listen_sock;
if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_sock, &ev) == -1) {
    perror("epoll_ctl: listen_sock");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

for (;;) {
    nfds = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENTS, -1);
    if (nfds == -1) {
        perror("epoll_pwait");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    for (n = 0; n < nfds; ++n) {
        if (events[n].data.fd == listen_sock) {
            conn_sock = accept(listen_sock,
                    (struct sockaddr *) &local, &addrlen);
            if (conn_sock == -1) {
                perror("accept");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }
            setnonblocking(conn_sock);
            ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
            ev.data.fd = conn_sock;
            if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, conn_sock,
                        &ev) == -1) {
                perror("epoll_ctl: conn_sock");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }
        } else {
            do_use_fd(events[n].data.fd);
        }
    }
}

　　下面这个是引用mmz_xiaokong

epoll函数
　　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。
　　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。
　　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。
　　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。
　　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。
　　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。
　　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. 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。
　　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(以空间换时间)，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。

int res = epoll_wait(epfd, events, 20, 120);
for (int i = 0; i < res;i++)
{
     handleEvent(events[n]);
}

 　　下面用一个实例来说明

　　client.cpp

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <unistd.h>

#define MAX_DATA_SIZE 4096
#define SERVER_PORT 12138


int main(int argc,char *argv[])
{
    int sockfd;
    struct hostent * host;
    struct sockaddr_in servAddr;
    int pid;
    char sendBuf[MAX_DATA_SIZE],recvBuf[MAX_DATA_SIZE];
    int sendSize,recvSize;

    host=gethostbyname(argv[1]);
    if(host==NULL)
    {
        perror("get host error");
        exit(-1);
    }

    sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(sockfd==-1)
    {
        perror("创建socket失败");
        exit(-1);
    }

    servAddr.sin_family=AF_INET;
    servAddr.sin_port=htons(SERVER_PORT);
    servAddr.sin_addr=*((struct in_addr *)host->h_addr);
    bzero(&(servAddr.sin_zero),8);

    if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)&servAddr,sizeof(struct sockaddr_in))==-1)
    {
        perror("connect 失败");
        exit(-1);
    }

    if((pid=fork())<0)
    {
        perror("fork error");
    }
    else if(pid>0)
    {
        while(1)
        {
            fgets(sendBuf,MAX_DATA_SIZE,stdin);
            sendSize=send(sockfd,sendBuf,MAX_DATA_SIZE,0);
            if(sendSize<0)
                perror("send error");
            memset(sendBuf,0,sizeof(sendBuf));
        }
    }
    else
    {
        while(1)
        {
            recvSize=recv(sockfd,recvBuf,MAX_DATA_SIZE,0);
            if(recvSize<0)
                perror("recv error");
            printf("接收到的信息:%s",recvBuf);
            memset(recvBuf,0,sizeof(recvBuf));
        }
    }
    return 0;
}

　　server.cpp

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

#define SERVER_PORT 12138
#define CON_QUEUE 20
#define MAX_DATA_SIZE 4096
#define MAX_EVENTS 500

void AcceptConn(int sockfd,int epollfd);
void Handle(int clientfd);

int main(int argc,char *argv[])
{
    struct sockaddr_in serverSockaddr;
    int sockfd;

    //创建socket
    if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)
    {
        perror("创建socket失败");
        exit(-1);
    }
    serverSockaddr.sin_family=AF_INET;
    serverSockaddr.sin_port=htons(SERVER_PORT);
    serverSockaddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    bzero(&(serverSockaddr.sin_zero),8);

    int on=0;
    setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&on,sizeof(on));

    if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)&serverSockaddr,sizeof(struct sockaddr))==-1)
    {
        perror("绑定失败");
        exit(-1);
    }

    if(listen(sockfd,CON_QUEUE)==-1)
    {
        perror("监听失败");
        exit(-1);
    }

    //epoll初始化
    int epollfd;//epoll描述符
    struct epoll_event eventList[MAX_EVENTS];
    epollfd=epoll_create(MAX_EVENTS);
    struct epoll_event event;
    event.events=EPOLLIN|EPOLLET;
    event.data.fd=sockfd;//把server socket fd封装进events里面

    //epoll_ctl设置属性,注册事件
    if(epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,sockfd,&event)<0)
    {
        printf("epoll 加入失败 fd:%d
",sockfd);
        exit(-1);
    }

    while(1)
    {
        int timeout=300;//设置超时;在select中使用的是timeval结构体
        //epoll_wait epoll处理
        //ret会返回在规定的时间内获取到IO数据的个数，并把获取到的event保存在eventList中，注意在每次执行该函数时eventList都会清空，由epoll_wait函数填写。
        //而不清除已经EPOLL_CTL_ADD到epollfd描述符的其他加入的文件描述符。这一点与select不同，select每次都要进行FD_SET，具体可看我的select讲解。
        //epoll里面的文件描述符要手动通过EPOLL_CTL_DEL进行删除。
        int ret=epoll_wait(epollfd,eventList,MAX_EVENTS,timeout);

        if(ret<0)
        {
            perror("epoll error
");
            break;
        }
        else if(ret==0)
        {
            //超时
            continue;
        }

        //直接获取了事件数量，给出了活动的流，这里就是跟selec，poll区别的关键 //select要用遍历整个数组才知道是那个文件描述符有事件。而epoll直接就把有事件的文件描述符按顺序保存在eventList中
        for(int i=0;i<ret;i++)
        {
            //错误输出
            if((eventList[i].events & EPOLLERR) || (eventList[i].events & EPOLLHUP) || !(eventList[i].events & EPOLLIN))
            {
                printf("epoll error
");
                close(eventList[i].data.fd);
                exit(-1);
            }

            if(eventList[i].data.fd==sockfd)
            {
                //这个是判断sockfd的，主要是用于接收客户端的连接accept
                AcceptConn(sockfd,epollfd);
            }
            else //里面可以通过判断eventList[i].events&EPOLLIN 或者 eventList[i].events&EPOLLOUT 来区分当前描述符的连接是对应recv还是send
            {
                //其他所有与客户端连接的clientfd文件描述符
                //获取数据等操作
                //如需不接收客户端发来的数据，但是不关闭连接。
                //epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL,eventList[i].data.fd,eventList[i]);
                //Handle对各个客户端发送的数据进行处理
                Handle(eventList[i].data.fd);
            }
        }
    }

    close(epollfd);
    close(sockfd);
    return 0;
}

void AcceptConn(int sockfd,int epollfd)
{
    struct sockaddr_in sin;
    socklen_t len=sizeof(struct sockaddr_in);
    bzero(&sin,len);

    int confd=accept(sockfd,(struct sockaddr *)&sin,&len);

    if(confd<0)
    {
        perror("connect error
");
        exit(-1);
    }

    //把客户端新建立的连接添加到EPOLL的监听中
    struct epoll_event event;
    event.data.fd=confd;
    event.events=EPOLLIN|EPOLLET;
    epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,confd,&event);
    return ;
}

void Handle(int clientfd)
{
    int recvLen=0;
    char recvBuf[MAX_DATA_SIZE];
    memset(recvBuf,0,sizeof(recvBuf));
    recvLen=recv(clientfd,(char *)recvBuf,MAX_DATA_SIZE,0);
    if(recvLen==0)
        return ;
    else if(recvLen<0)
    {
        perror("recv Error");
        exit(-1);
    }
    //各种处理
    printf("接收到的数据:%s 
",recvBuf);
    return ;
}

　　epoll参考资料

　　http://blog.csdn.net/mmz_xiaokong/article/details/8704988
　　http://blog.csdn.net/mmz_xiaokong/article/details/8704455
　　http://www.cppblog.com/converse/archive/2008/10/13/63928.html
　　http://blog.csdn.net/haoahua/article/details/2037704
　　https://banu.com/blog/2/how-to-use-epoll-a-complete-example-in-c/

　　epoll为什么这么快: http://www.cppblog.com/converse/archive/2008/10/12/63836.html

　　本文地址: http://www.cnblogs.com/wunaozai/p/3895860.html