Linux IO多路转接之epoll

一、epoll初识

二、epoll的相关系统调用

1.epoll_create

2.epoll_ctl

3.epoll_wait

三、epoll工作原理

四、epoll的工作方式

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本文主要介绍了epoll内部工作机制，如何达到高性能的多路转接。技术有限，如有错误请指正。参考文献：深入揭秘 epoll 是如何实现 IO 多路复用的

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一、epoll初识

按照man手册：epoll是为处理大批量句柄而改进的poll，被公认为linux2.6下性能最好的io就绪通知方法

二、epoll的相关系统调用

epoll有三个相关调用

1.epoll_create

int epoll_create(int size);

创建一个epoll句柄，从Linux2.6.8之后，size参数是被忽略的，设置为>0即可。

用完之后，必须调用close()关闭

2.epoll_ctl

int epoll_ctl(int epfd,int op,int fd,struct epoll_event *event);

epoll的事件注册函数

• 它不同于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
• epfd是创建的返回值
• 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

struct epoll_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_data_t data;
 } __EPOLL_PACKED;

• events可以是几个宏的集合：

  EPOLLIN:表示对应的fd可以读(包括对端SOCKET正常关闭)
  EPOLLOUT:表示对应的fd可以写
  EPOLLPRI:表示对应的fd有紧急的数据可读（这里对应表示有带外数据到来）
  EPOLLERR:表示对应的fd描述符发生错误
  EPOLLHUP:表示对应的fd被挂断
  EPOLLET:将epoll设置为边缘触发（et),这是相对于水平触发(lt)来说的
  EPOLLONESHOT:只监听一次事件，当监听完这次事件后，如果还需要继续监听socket的话，需要再次把这个socket加入到epoll队列中

3.epoll_wait

int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event *events,int maxevents,int timeout);

收集在epoll监控的事件中已经发送的事件

• 参数events是分配好的epll_event结构体数组
• epoll将会把发生的事件赋值到events数组中（events不可以是空指针，内核只负责把数据复制到这个events数组中，不会去帮助我们在用户态中分配内存）
• maxevents告知内核这个events有多大，这个Maxevnets的值不能大于创建epoll_create()时的size
• 参数timeout是超时事件（ms,0会立即返回，-1永久阻塞）
• 函数调用成功，返回对应io上已经准备好的fd数目，如返回0表示已经超时，返回小于0表示函数失败

三、epoll工作原理

struct eventpoll
{
    /* 红黑树的根节点，这棵树中存储着所有添加到epoll当中需要监控的事件*/
    struct rb_tree;
    struct list_head rdlist;
};

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（红黑树的插入效率是logn,其中n为树的高度）

而所有添加到epoll事件中都会与设备（网卡）驱动程序建立回调关系，也就是说，当响应的事件发生时，都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。

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

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，这个操作的事件复杂度为O(1)

epoll的优点

• 接口使用方便：虽然拆分成了三个函数，但是使用起来更高效，不需要每次循环都设置关注的fd,也做到了输入输出参数分离
• 数据拷贝轻量：只在合适的时候调用EPOLL_CTL_ADD将fd拷贝到内核中，这个操作并不频繁（而select,poll每次都需要进行拷贝）
• 事件回调机制：避免使用遍历，而是使用回调函数的方式，将就绪的fd结构加入到就绪队列中，epoll_wait返回直接访问就绪队列就知道哪些fd就绪，这个操作事件复杂度O（1），即使fd很多，效率也不会收到影响
• 没有数量限制，文件描述符数目无上限

有的地方说，epoll使用了内存映射机制，内存映射机制是：内核直接将就绪队列通过mmap的方式映射到用户态，避免了拷贝内存这样的额外性能开销。这种说法是不准确的，我们定义的struct epoll_evnet是我们在用户空间中分配好的内存，势必还是需要将内核中的数据结构拷贝到这个用户空间的内存中的。

四、epoll的工作方式