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23 | Linux利器：epoll的前世今生
你好，我是盛延敏，这里是网络编程实战第23讲，欢迎回来。
性能篇的前三讲，非阻塞I/O加上I/O多路复用，已经渐渐帮助我们在高性能网络编程这个领域搭建了初步的基石。但是，离最终的目标还差那么一点，如果说I/O多路复用帮我们打开了高性能网络编程的窗口，那么今天的主题——epoll，将为我们增添足够的动力。
这里有放置了一张图，这张图来自The Linux Programming Interface(No Starch Press)。这张图直观地为我们展示了select、poll、epoll几种不同的I/O复用技术在面对不同文件描述符大小时的表现差异。
从图中可以明显地看到，epoll的性能是最好的，即使在多达10000个文件描述的情况下，其性能的下降和有10个文件描述符的情况相比，差别也不是很大。而随着文件描述符的增大，常规的select和poll方法性能逐渐变得很差。
那么，epoll究竟使用了什么样的“魔法”，取得了如此令人惊讶的效果呢？接下来，我们就来一起分析一下。
epoll的用法
在分析对比epoll、poll和select几种技术之前，我们先看一下怎么使用epoll来完成一个服务器程序，具体的原理我将在29讲中进行讲解。
epoll可以说是和poll非常相似的一种I/O多路复用技术，有些朋友将epoll归为异步I/O，我觉得这是不正确的。本质上epoll还是一种I/O多路复用技术， epoll通过监控注册的多个描述字，来进行I/O事件的分发处理。不同于poll的是，epoll不仅提供了默认的level-triggered（条件触发）机制，还提供了性能更为强劲的edge-triggered（边缘触发）机制。至于这两种机制的区别，我会在后面详细展开。
使用epoll进行网络程序的编写，需要三个步骤，分别是epoll_create，epoll_ctl和epoll_wait。接下来我对这几个API详细展开讲一下。
epoll_create
int epoll_create(int size);
int epoll_create1(int flags);
返回值: 若成功返回一个大于0的值，表示epoll实例；若返回-1表示出错
epoll_create()方法创建了一个epoll实例，从Linux 2.6.8开始，参数size被自动忽略，但是该值仍需要一个大于0的整数。这个epoll实例被用来调用epoll_ctl和epoll_wait，如果这个epoll实例不再需要，比如服务器正常关机，需要调用close()方法释放epoll实例，这样系统内核可以回收epoll实例所分配使用的内核资源。
关于这个参数size，在一开始的epoll_create实现中，是用来告知内核期望监控的文件描述字大小，然后内核使用这部分的信息来初始化内核数据结构，在新的实现中，这个参数不再被需要，因为内核可以动态分配需要的内核数据结构。我们只需要注意，每次将size设置成一个大于0的整数就可以了。
epoll_create1()的用法和epoll_create()基本一致，如果epoll_create1()的输入flags为0，则和epoll_create()一样，内核自动忽略。可以增加如EPOLL_CLOEXEC的额外选项，如果你有兴趣的话，可以研究一下这个选项有什么意义。
epoll_ctl
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
返回值: 若成功返回0；若返回-1表示出错
在创建完epoll实例之后，可以通过调用epoll_ctl往这个epoll实例增加或删除监控的事件。函数epll_ctl有4个入口参数。
第一个参数epfd是刚刚调用epoll_create创建的epoll实例描述字，可以简单理解成是epoll句柄。
第二个参数表示增加还是删除一个监控事件，它有三个选项可供选择：
- EPOLL_CTL_ADD： 向epoll实例注册文件描述符对应的事件；
- EPOLL_CTL_DEL：向epoll实例删除文件描述符对应的事件；
- EPOLL_CTL_MOD： 修改文件描述符对应的事件。
第三个参数是注册的事件的文件描述符，比如一个监听套接字。
第四个参数表示的是注册的事件类型，并且可以在这个结构体里设置用户需要的数据，其中最为常见的是使用联合结构里的fd字段，表示事件所对应的文件描述符。
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 */
};
我们在前面介绍poll的时候已经接触过基于mask的事件类型了，这里epoll仍旧使用了同样的机制，我们重点看一下这几种事件类型：
- EPOLLIN：表示对应的文件描述字可以读；
- EPOLLOUT：表示对应的文件描述字可以写；
- EPOLLRDHUP：表示套接字的一端已经关闭，或者半关闭；
- EPOLLHUP：表示对应的文件描述字被挂起；
- EPOLLET：设置为edge-triggered，默认为level-triggered。
epoll_wait
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
返回值: 成功返回的是一个大于0的数，表示事件的个数；返回0表示的是超时时间到；若出错返回-1.
epoll_wait()函数类似之前的poll和select函数，调用者进程被挂起，在等待内核I/O事件的分发。
这个函数的第一个参数是epoll实例描述字，也就是epoll句柄。
第二个参数返回给用户空间需要处理的I/O事件，这是一个数组，数组的大小由epoll_wait的返回值决定，这个数组的每个元素都是一个需要待处理的I/O事件，其中events表示具体的事件类型，事件类型取值和epoll_ctl可设置的值一样，这个epoll_event结构体里的data值就是在epoll_ctl那里设置的data，也就是用户空间和内核空间调用时需要的数据。
第三个参数是一个大于0的整数，表示epoll_wait可以返回的最大事件值。
第四个参数是epoll_wait阻塞调用的超时值，如果这个值设置为-1，表示不超时；如果设置为0则立即返回，即使没有任何I/O事件发生。
epoll例子
代码解析
下面我们把原先基于poll的服务器端程序改造成基于epoll的：
#include "lib/common.h"
#define MAXEVENTS 128
char rot13_char(char c) {
if ((c >= 'a' && c <= 'm') || (c >= 'A' && c <= 'M'))
return c + 13;
else if ((c >= 'n' && c <= 'z') || (c >= 'N' && c <= 'Z'))
return c - 13;
else
return c;
}
int main(int argc, char **argv) {
int listen_fd, socket_fd;
int n, i;
int efd;
struct epoll_event event;
struct epoll_event *events;
listen_fd = tcp_nonblocking_server_listen(SERV_PORT);
efd = epoll_create1(0);
if (efd == -1) {
error(1, errno, "epoll create failed");
}
event.data.fd = listen_fd;
event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
if (epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &event) == -1) {
error(1, errno, "epoll_ctl add listen fd failed");
}
/* Buffer where events are returned */
events = calloc(MAXEVENTS, sizeof(event));
while (1) {
n = epoll_wait(efd, events, MAXEVENTS, -1);
printf("epoll_wait wakeup\n");
for (i = 0; i < n; i++) {
if ((events[i].events & EPOLLERR) ||
(events[i].events & EPOLLHUP) ||
(!(events[i].events & EPOLLIN))) {
fprintf(stderr, "epoll error\n");
close(events[i].data.fd);
continue;
} else if (listen_fd == events[i].data.fd) {
struct sockaddr_storage ss;
socklen_t slen = sizeof(ss);
int fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr *) &ss, &slen);
if (fd < 0) {
error(1, errno, "accept failed");
} else {
make_nonblocking(fd);
event.data.fd = fd;
event.events = EPOLLIN | EPOLLET; //edge-triggered
if (epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event) == -1) {
error(1, errno, "epoll_ctl add connection fd failed");
}
}
continue;
} else {
socket_fd = events[i].data.fd;
printf("get event on socket fd == %d \n", socket_fd);
while (1) {
char buf[512];
if ((n = read(socket_fd, buf, sizeof(buf))) < 0) {
if (errno != EAGAIN) {
error(1, errno, "read error");
close(socket_fd);
}
break;
} else if (n == 0) {
close(socket_fd);
break;
} else {
for (i = 0; i < n; ++i) {
buf[i] = rot13_char(buf[i]);
}
if (write(socket_fd, buf, n) < 0) {
error(1, errno, "write error");
}
}
}
}
}
}
free(events);
close(listen_fd);
}
程序的第23行调用epoll_create0创建了一个epoll实例。
28-32行，调用epoll_ctl将监听套接字对应的I/O事件进行了注册，这样在有新的连接建立之后，就可以感知到。注意这里使用的是edge-triggered（边缘触发）。
35行为返回的event数组分配了内存。
主循环调用epoll_wait函数分发I/O事件，当epoll_wait成功返回时，通过遍历返回的event数组，就直接可以知道发生的I/O事件。
第41-46行判断了各种错误情况。
第47-61行是监听套接字上有事件发生的情况下，调用accept获取已建立连接，并将该连接设置为非阻塞，再调用epoll_ctl把已连接套接字对应的可读事件注册到epoll实例中。这里我们使用了event_data里面的fd字段，将连接套接字存储其中。
第63-84行，处理了已连接套接字上的可读事件，读取字节流，编码后再回应给客户端。
实验
启动该服务器：
$./epoll01
epoll_wait wakeup
epoll_wait wakeup
epoll_wait wakeup
get event on socket fd == 6
epoll_wait wakeup
get event on socket fd == 5
epoll_wait wakeup
get event on socket fd == 5
epoll_wait wakeup
get event on socket fd == 6
epoll_wait wakeup
get event on socket fd == 6
epoll_wait wakeup
get event on socket fd == 6
epoll_wait wakeup
get event on socket fd == 5
再启动几个telnet客户端，可以看到有连接建立情况下，epoll_wait迅速从挂起状态结束；并且套接字上有数据可读时，epoll_wait也迅速结束挂起状态，这时候通过read可以读取套接字接收缓冲区上的数据。
$telnet 127.0.0.1 43211
Trying 127.0.0.1...
Connected to 127.0.0.1.
Escape character is '^]'.
fasfsafas
snfsfnsnf
^]
telnet> quit
Connection closed.
edge-triggered VS level-triggered
对于edge-triggered和level-triggered， 官方的说法是一个是边缘触发，一个是条件触发。也有文章从电子脉冲角度来解读的，总体上，给初学者的带来的感受是理解上有困难。
这里有两个程序，我们用这个程序来说明一下这两者之间的不同。
在这两个程序里，即使已连接套接字上有数据可读，我们也不调用read函数去读，只是简单地打印出一句话。
第一个程序我们设置为edge-triggered，即边缘触发。开启这个服务器程序，用telnet连接上，输入一些字符，我们看到，服务器端只从epoll_wait中苏醒过一次，就是第一次有数据可读的时候。
$./epoll02
epoll_wait wakeup
epoll_wait wakeup
get event on socket fd == 5
$telnet 127.0.0.1 43211
Trying 127.0.0.1...
Connected to 127.0.0.1.
Escape character is '^]'.
asfafas
第二个程序我们设置为level-triggered，即条件触发。然后按照同样的步骤来一次，观察服务器端，这一次我们可以看到，服务器端不断地从epoll_wait中苏醒，告诉我们有数据需要读取。
$./epoll03
epoll_wait wakeup
epoll_wait wakeup
get event on socket fd == 5
epoll_wait wakeup
get event on socket fd == 5
epoll_wait wakeup
get event on socket fd == 5
epoll_wait wakeup
get event on socket fd == 5
...
这就是两者的区别，条件触发的意思是只要满足事件的条件，比如有数据需要读，就一直不断地把这个事件传递给用户；而边缘触发的意思是只有第一次满足条件的时候才触发，之后就不会再传递同样的事件了。
一般我们认为，边缘触发的效率比条件触发的效率要高，这一点也是epoll的杀手锏之一。
epoll的历史
早在Linux实现epoll之前，Windows系统就已经在1994年引入了IOCP，这是一个异步I/O模型，用来支持高并发的网络I/O，而著名的FreeBSD在2000年引入了Kqueue——一个I/O事件分发框架。
Linux在2002年引入了epoll，不过相关工作的讨论和设计早在2000年就开始了。如果你感兴趣的话，可以[http://lkml.iu.edu/hypermail/linux/kernel/0010.3/0003.html](http:// <a href=)">点击这里看一下里面的讨论。
为什么Linux不把FreeBSD的kqueue直接移植过来，而是另辟蹊径创立了epoll呢？
让我们先看下kqueue的用法，kqueue也需要先创建一个名叫kqueue的对象，然后通过这个对象，调用kevent函数增加感兴趣的事件，同时，也是通过这个kevent函数来等待事件的发生。
int kqueue(void);
int kevent(int kq, const struct kevent *changelist, int nchanges,
struct kevent *eventlist, int nevents,
const struct timespec *timeout);
void EV_SET(struct kevent *kev, uintptr_t ident, short filter,
u_short flags, u_int fflags, intptr_t data, void *udata);
struct kevent {
uintptr_t ident; /* identifier (e.g., file descriptor) */
short filter; /* filter type (e.g., EVFILT_READ) */
u_short flags; /* action flags (e.g., EV_ADD) */
u_int fflags; /* filter-specific flags */
intptr_t data; /* filter-specific data */
void *udata; /* opaque user data */
};
Linus在他最初的设想里，提到了这么一句话，也就是说他觉得类似select或poll的数组方式是可以的，而队列方式则是不可取的。
So sticky arrays of events are good, while queues are bad. Let’s take that as one of the fundamentals.
在最初的设计里，Linus等于把keque里面的kevent函数拆分了两个部分，一部分负责事件绑定，通过bind_event函数来实现；另一部分负责事件等待，通过get_events来实现。
struct event {
unsigned long id; /* file descriptor ID the event is on */
unsigned long event; /* bitmask of active events */
};
int bind_event(int fd, struct event *event);
int get_events(struct event * event_array, int maxnr, struct timeval *tmout);
和最终的epoll实现相比，前者类似epoll_ctl，后者类似epoll_wait，不过原始的设计里没有考虑到创建epoll句柄，在最终的实现里增加了epoll_create，支持了epoll句柄的创建。
2002年，epoll最终在Linux 2.5.44中首次出现，在2.6中趋于稳定，为Linux的高性能网络I/O画上了一段句号。
总结
Linux中epoll的出现，为高性能网络编程补齐了最后一块拼图。epoll通过改进的接口设计，避免了用户态-内核态频繁的数据拷贝，大大提高了系统性能。在使用epoll的时候，我们一定要理解条件触发和边缘触发两种模式。条件触发的意思是只要满足事件的条件，比如有数据需要读，就一直不断地把这个事件传递给用户；而边缘触发的意思是只有第一次满足条件的时候才触发，之后就不会再传递同样的事件了。
思考题
理解完了epoll，和往常一样，我给你布置两道思考题：
第一道，你不妨试着修改一下第20讲中select的例子，即在已连接套接字上有数据可读，也不调用read函数去读，看一看你的结果，你认为select是边缘触发的，还是条件触发的？
第二道，同样的修改一下第21讲poll的例子，看看你的结果，你认为poll是边缘触发的，还是条件触发的？
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