IO 的多路复用之 epoll

IO 多路复用是 Linux 并发处理的一种技术，epoll 是目前常用的一种方式。

epoll 是在 2.6 内核中提出的，是之前的 select 和 poll 的增强版本。相对于 select 和 poll 来说，epoll 更加灵活，没有描述符限制。epoll 使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间只需复制一次。

epoll 接口

epoll 操作过程需要三个接口，分别如下：

#include<sys/epoll.h>
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);

epoll 句柄创建

int epoll_create(int size);

创建一个 epoll 的句柄，size 用来告诉内核需要监听的数目最多有多大，不过现在这个参数已经被废弃，内核会动态维护要监听事件的数目。这个参数不同于 select() 中的第一个参数（给出最大监听的 fd+1 的值）。需要注意的是，当创建好 epoll 句柄后，它会返回一个自身的描述符，因此也会占用一个 fd 值，在 Linux 下如果查看 /proc/pid/fd/，是能够看到这个 fd 的，所以在使用完 epoll 后，必须调用 close() 关闭，否则可能导致 fd 被耗尽。

epoll 事件管理

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

epoll 的事件注册函数，它不同与 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。第一个参数是 epoll_create() 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 的监听事件；
• 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。

struct epoll_event 表示 epoll 的事件，其结构如下：

struct epoll_event {
  __uint32_t events;  /* Epoll events */
  epoll_data_t data;  /* User data variable */
};

events 可以是以下几个宏的集合：

• EPOLLIN：表示对应的文件描述符可以读（包括对端 socket 正常关闭）；
• 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（这里应该表示有带外数据到来）；
• 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： 将 EPOLL 设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。
• EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个 socket 的话，需要再次把这个 socket 加入到 EPOLL 队列里

epoll 等待事件发生

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

等待事件的产生，类似于 select() 调用。参数 events 用来从内核得到事件的集合，maxevents 告之内核这个 events 有多大，这个 maxevents 的值不能大于创建 epoll_create() 时的 size，参数timeout 是超时时间（毫秒，0 会立即返回，-1 是永久阻塞）。该函数返回需要处理的事件数目，如返回 0 表示已超时。

epoll 工作模式

epoll 对文件描述符的操作有两种模式：LT（level trigger）和ET（edge trigger）。LT 模式是默认模式，LT 模式与 ET 模式的区别如下：

• LT 模式：当 epoll_wait 检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用 epoll_wait 时，会再次响应应用程序并通知此事件。
• ET 模式：当 epoll_wait 检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用 epoll_wait 时，不会再次响应应用程序并通知此事件。

ET 模式在很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数，因此效率要比 LT 模式高。epoll 工作在 ET 模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

总结与思考

总的来说，epoll 相对于 select 和 poll 更加灵活、效率更高，因为它没有描述符限制，而且采用了事件触发的机制。使用 epoll 可以在单线程下管理多个文件描述符，避免了线程和进程切换的开销，同时也能够解决 C10K 问题，提高系统的并发处理能力。

在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的工作模式。LT 模式是默认模式，适用于处理较少的事件；而 ET 模式适用于处理大量的事件，可以减少 epoll 的调用次数和资源占用。但是，ET 模式对错误处理更为严格，需要谨慎使用。

最后需要注意，使用 epoll 后必须调用 close() 关闭，否则可能导致文件描述符被耗尽。

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