epoll模型

1. Epoll是何方神圣?
Epoll可是当前在Linux下开发大规模并发网络程序的热门人选,Epoll 在Linux2.6内核中正式引入,和select相似,其实都I/O多路复用技术而已,并没有什么神秘的。
其实在Linux下设计并发网络程序,向来不缺少方法,比如典型的Apache模型(Process Per Connection,简称PPC),TPC(Thread PerConnection)模型,以及select模型和poll模型,那为何还要再引入Epoll这个东东呢?那还是有得说说的…
2. 常用模型的缺点
如果不摆出来其他模型的缺点,怎么能对比出Epoll的优点呢。
2.1 PPC/TPC模型
这两种模型思想类似,就是让每一个到来的连接一边自己做事去,别再来烦我。只是PPC是为它开了一个进程,而TPC开了一个线程。可是别烦我是有代价的,它要时间和空间啊,连接多了之后,那么多的进程/线程切换,这开销就上来了;因此这类模型能接受的最大连接数都不会高,一般在几百个左右。
2.2 select模型
1. 最大并发数限制,因为一个进程所打开的FD(文件描述符)是有限制的,由FD_SETSIZE设置,默认值是1024/2048,因此Select模型的最大并发数就被相应限制了。自己改改这个FD_SETSIZE?想法虽好,可是先看看下面吧…
2. 效率问题,select每次调用都会线性扫描全部的FD集合,这样效率就会呈现线性下降,把FD_SETSIZE改大的后果就是,大家都慢慢来,什么?都超时了??!!
3. 内核/用户空间内存拷贝问题,如何让内核把FD消息通知给用户空间呢?在这个问题上select采取了内存拷贝方法。
2.3 poll模型
基本上效率和select是相同的,select缺点的2和3它都没有改掉。
3. Epoll的提升
把其他模型逐个批判了一下,再来看看Epoll的改进之处吧,其实把select的缺点反过来那就是Epoll的优点了。
3.1. Epoll没有最大并发连接的限制,上限是最大可以打开文件的数目,这个数字一般远大于2048, 一般来说这个数目和系统内存关系很大,具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。
3.2. 效率提升,Epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接,而跟连接总数无关,因此在实际的网络环境中,Epoll的效率就会远远高于select和poll。
3.3. 内存拷贝,Epoll在这点上使用了“共享内存”,这个内存拷贝也省略了。
4. Epoll为什么高效
Epoll的高效和其数据结构的设计是密不可分的,这个下面就会提到。
首先回忆一下select模型,当有I/O事件到来时,select通知应用程序有事件到了快去处理,而应用程序必须轮询所有的FD集合,测试每个FD是否有事件发生,并处理事件;代码像下面这样:
int res = select(maxfd+1, &readfds, NULL, NULL, 120);
if(res > 0)
{
    for
(int
 i = 0; i < MAX_CONNECTION; i++)
    {
        if
(FD_ISSET(allConnection[i],
&readfds))
        {
            handleEvent(allConnection[i]);
        }
    }
}
// if(res == 0) handle timeout, res < 0 handle error
Epoll不仅会告诉应用程序有I/0
事件到来,还会告诉应用程序相关的信息,这些信息是应用程序填充的,因此根据这些信息应用程序就能直接定位到事件,而不必遍历整个FD
集合。
intres = epoll_wait(epfd, events, 20, 120);
for(int i = 0; i < res;i++)
{
    handleEvent(events[n]);
}
5. Epoll关键数据结构
前面提到Epoll速度快和其数据结构密不可分,其关键数据结构就是:
structepoll_event {
__uint32_t events; // Epoll events
epoll_data_t data; // User data
variable
};
typedefunion epoll_data {
    void *ptr;
int
 fd;
    __uint32_t u32;
    __uint64_t u64;
} epoll_data_t;
可见epoll_data是一个union结构体,借助于它应用程序可以保存很多类型的信息:fd、指针等等。有了它,应用程序就可以直接定位目标了。
6. 使用Epoll
既然Epoll相比select这么好,那么用起来如何呢?会不会很繁琐啊…先看看下面的三个函数吧,就知道Epoll的易用了。
int
epoll_create(int
 size);
生成一个Epoll专用的文件描述符,其实是申请一个内核空间,用来存放你想关注的socket fd上是否发生以及发生了什么事件。size就是你在这个Epoll fd上能关注的最大socket fd数,大小自定,只要内存足够。
int
epoll_ctl(int
 epfd, int
op, int
 fd, struct
epoll_event *event
);
控制某个Epoll文件描述符上的事件:注册、修改、删除。其中参数epfd是epoll_create()创建Epoll专用的文件描述符。相对于select模型中的FD_SET和FD_CLR宏。
int
epoll_wait(int
 epfd,struct
epoll_event * events,int
 maxevents,int
 timeout);
等待I/O事件的发生;参数说明:
epfd:由epoll_create() 生成的Epoll专用的文件描述符;
epoll_event:用于回传代处理事件的数组;
maxevents:每次能处理的事件数;
timeout:等待I/O事件发生的超时值;
返回发生事件数。
相对于select模型中的select函数。
7. 例子程序
下面是一个简单Echo Server的例子程序,麻雀虽小,五脏俱全,还包含了一个简单的超时检查机制,简洁起见没有做错误处理。

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