【在Linux世界中追寻伟大的One Piece】多路转接epoll
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1 -> I/O多路转接之poll
1.1 -> poll函数接口
#include <poll.h>
int poll(struct pollfd* fds, nfds_t nfds, int timeout);
// pollfd 结构
struct pollfd
{
int fd; /* file descriptor */
short events; /* requested events */
short revents; /* returned events */
};参数说明：
- fds是一个poll函数监听的结构列表。每一个元素中，包含了三部分内容：文件描述符，监听的事件集合，返回的事件集合。
- nfds表示fds数组的长度。
- timeout表示poll函数的超时时间，单位是毫秒(ms)。
events和revents的取值：
| 事件 | 描述 | 是否可作为输入 | 是否可作为输出 |
| POLLIN | 数据(包括普通数据和优先数据)可读 | 是 | 是 |
| POLLRDNORM | 普通数据可读 | 是 | 是 |
| POLLRDBAND | 优先级带数据可读(Linux不支持) | 是 | 是 |
| POLLPRI | 高优先级数据可读，比如TCP带外数据 | 是 | 是 |
| POLLOUT | 数据(包括普通数据和优先数据)可写 | 是 | 是 |
| POLLWRNORM | 普通数据可写 | 是 | 是 |
| POLLWRBAND | 优先级带数据可写 | 是 | 是 |
| POLLRDHUP | TCP连接被对方关闭，或者对方关闭了写操作。它由GNU引入 | 是 | 是 |
| POLLERR | 错误 | 否 | 是 |
| POLLHUP | 挂起。比如管道的写端被关闭后，读端描述符上将收到POLLHUP事件 | 否 | 是 |
| POLLNVAL | 文件描述符没有打开 | 否 | 是 |
返回结果：
- 返回值小于0，表示出错。
- 返回值等于0，表示poll函数等待超时。
- 返回值大于0，表示poll由于监听的文件描述符就绪而返回。
1.2 -> poll的优点
不同于select使用三个位图来表示三个fdset的方式，poll使用一个pollfd的指针实现。
- pollfd结构包含了要监视的event和发生的event，不再使用select"参数-值"传递的方式。接口使用比select更方便。
- poll并没有最大数量限制(但是数量过大后性能也是会下降)。
1.3 -> poll的缺点
poll中监听的文件描述符数目增多时：
- 和select函数一样，poll返回后，需要轮询pollfd来获取就绪的描述符。
- 每次调用poll都需要把大量的pollfd结构从用户态拷贝到内核中。
- 同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的处于就绪状态，因此随着监视的描述符数量的增长，其效率也会线性下降。
1.4 -> poll示例
1.4.1 -> 使用poll监控标准输入
#include <poll.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
struct pollfd poll_fd;
poll_fd.fd = 0;
poll_fd.events = POLLIN;
for (;;)
{
int ret = poll(&poll_fd, 1, 1000);
if (ret < 0)
{
perror("poll");
continue;
}
if (ret == 0)
{
printf("poll timeout\n");
continue;
}
if (poll_fd.revents == POLLIN)
{
char buf[1024] = { 0 };
read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
printf("stdin:%s", buf);
}
}
}2 -> I/O多路转接之epoll
2.1 -> 初识epoll
epoll是Linux内核中提供的一种高效的IO多路复用机制，它专为处理大量文件描述符而设计。相比于传统的select和poll机制，epoll在存在大量并发连接且只有少数连接活跃时，能够显著提高系统的CPU利用率。epoll的关键优势在于它在获取就绪事件时，不会遍历所有被监听的文件描述符集，而是只会遍历那些被设备IO事件异步唤醒（通过CPU中断机制）而加入就绪链表的文件描述符集。
按照man手册的说法：是为处理大批量句柄而作了改进的poll。
它是在2.5.44内核中被引进的(epoll(4)is a new API introduced in Linux kernel 2.5.44)它几乎具备了之前所说的一切优点，被公认为Linux2.6下性能最好的多路I/O就绪通知方法。
2.2 -> epoll的相关系统调用
2.2.1 -> epoll_create
int epoll_create(int size);
创建一个epoll的句柄。
- 自从linux2.6.8之后，size参数是被忽略的。
- 用完之后，必须调用close()关闭。
2.2.2 -> 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。
- 第一个参数是epoll_create()的返回值(epoll 的句柄)。
- 第二个参数表示动作，用三个宏来表示。
- 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。
第二个参数的取值：
- 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。
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 events
epoll_data_t data; //User data variable
}_EPOLL_PACKED;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。
2.2.3 -> 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epoll_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)。
- 如果函数调用成功，返回对应I/O上已准备好的文件描述符数目，如返回0表示已超时, 返回小于0表示函数失败。
2.3 -> epoll工作原理
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。
struct eventpoll
{
/*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*/
struct rb_root rbr;
/*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*/
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，当响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。
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。这个操作的时间复杂度是O(1)。
总结一下，epoll的使用过程就是三部曲：
- 调用epoll_create创建一个epoll句柄。
- 调用epoll_ctl，将要监控的文件描述符进行注册。
- 调用epoll_wait，等待文件描述符就绪。
2.4 -> epoll优点
- 接口使用方便：虽然拆分成了三个函数，但是反而使用起来更方便高效。不需要每次循环都设置关注的文件描述符，也做到了输入输出参数分离开。
- 数据拷贝轻量：只在合适的时候调用EPOLL_CTL_ADD将文件描述符结构拷贝到内核中，这个操作并不频繁(而select/poll都是每次循环都要进行拷贝)。
- 事件回调机制：避免使用遍历，而是使用回调函数的方式，将就绪的文件描述符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文件描述符就绪。这个操作时间复杂度O(1)。即使文件描述符数目很多，效率也不会受到影响。
- 没有数量限制：文件描述符数目无上限。
感谢各位大佬支持！！！
互三啦！！！
原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_74809706/article/details/143710039
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