1. epoll概述
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的 copy 只需一次。
2. epoll的接口函数
为了在后面更加方便理解epoll的原理,我们先从接口函数开始下手:
epoll_create
创建epoll句柄
函数声明:int epoll_create(int size)
参数:size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。
返回值:返回创建了的epoll句柄。
当创建好epoll句柄后,它就是会占用一个fd值,在linux下如果查看/proc/进程id/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_ctl
将被监听的描述符添加到epoll句柄或从epool句柄中删除或者对监听事件进行修改。
函数申明:int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event*event);
参数:
epfd: epoll_create()的返回值
op:表示要进行的操作,其值分别为:
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;
fd:需要操作/监听的文件句柄
event:是告诉内核需要监听什么事件,struct epoll_event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 */
};
events可以是以下几个宏的集合:
- EPOLLIN:触发该事件,表示对应的文件描述符上有可读数据。(包括对端SOCKET正常关闭);
- EPOLLOUT:触发该事件,表示对应的文件描述符上可以写数据;
- 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(EdgeTriggered)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_wait
等侍注册在epfd上的socket fd的事件的发生,如果发生则将发生的sokct fd和事件类型放入到events数组中。
函数原型:int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
参数:
epfd:由epoll_create 生成的epoll文件描述符
events:用于回传代处理事件的数组
maxevents:每次能处理的最大事件数
timeout:等待I/O事件发生的超时毫秒数,-1相当于阻塞,0相当于非阻塞。一般用-1即可。
3. epoll实现机制
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:
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;
....
};
内部用了一个红黑树记录添加的socket,用了一个双向链表接收内核触发的事件。
然后我们通过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:
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。
4. epoll的工作模式
ET(EdgeTriggered):高速工作模式,只支持no_block(非阻塞模式)。在此模式下,当描述符从未就绪变为就绪时,内核通过epoll告知。然后它会假设用户知道文件描述符已经就绪,并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知,直到某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了。(触发模式只在数据就绪时通知一次,若数据没有读完,下一次不会通知,直到有新的就绪数据)
LT(LevelTriggered):缺省工作方式,支持blocksocket和no_blocksocket。在LT模式下内核会告知一个文件描述符是否就绪了,然后可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果不作任何操作,内核还是会继续通知!若数据没有读完,内核也会继续通知,直至设备数据为空为止!
二者的差异在于level-trigger模式下只要某个socket处于readable/writable状态,无论什么时候进行epoll_wait都会返回该socket;而edge-trigger模式下只有某个socket从unreadable变为readable或从unwritable变为writable时,epoll_wait才会返回该socket。
从本质上讲:与LT相比,ET模型是通过减少系统调用来达到提高并行效率的。