Linux 中 epoll 的详解

Linux 中 epoll 的详解

epoll 是 Linux 内核提供的一种高效的 I/O 多路复用机制，用于监控大量文件描述符的 I/O 事件。相较于传统的 select 和 poll，epoll 在高并发和大规模网络编程场景下表现出色，特别适合需要处理成千上万个文件描述符的应用。

1. epoll 的特点

优点

1. 高效性：

   • 内核采用事件驱动机制，只在有事件时通知程序，而不是轮询所有文件描述符。
   • 避免了重复构造文件描述符集合的开销。

2. 无文件描述符上限：

   • 文件描述符数量仅受系统资源限制，而不像 select 的 FD_SETSIZE 限制（默认 1024）。

3. 支持边缘触发（ET）和水平触发（LT）：

   • ET：仅在状态变化时触发通知。
   • LT：只要状态未清除，就会持续触发通知。

4. 内存拷贝优化：

   • 用户态和内核态之间的交互效率更高。

缺点

1. 仅支持 Linux 系统，跨平台性较差。
2. 边缘触发（ET）模式需要额外的逻辑处理，编程复杂度较高。

2. epoll 的使用方法

epoll 的使用主要分为三步：

1. 创建 epoll 实例

使用 epoll_create1 或 epoll_create 创建一个 epoll 实例：

#include <sys/epoll.h>

int epoll_create1(int flags);
int epoll_create(int size);

• flags：设置为 0 或 EPOLL_CLOEXEC（子进程不继承）。
• 返回值：一个文件描述符，用于管理 epoll 实例。

2. 注册和管理文件描述符

使用 epoll_ctl 添加、修改或删除监控的文件描述符：

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

• epfd：epoll_create 返回的文件描述符。
• op：操作类型（EPOLL_CTL_ADD、EPOLL_CTL_MOD、EPOLL_CTL_DEL）。
• fd：需要监控的文件描述符。
• event：事件结构体，定义了监控的事件类型和用户数据。

struct epoll_event {
    uint32_t events; /* 事件类型 */
    epoll_data_t data; /* 用户数据 */
};

typedef union epoll_data {
    void *ptr;
    int fd;
    uint32_t u32;
    uint64_t u64;
} epoll_data_t;

• events 常见值：
  • EPOLLIN：可读事件。
  • EPOLLOUT：可写事件。
  • EPOLLERR：错误事件。
  • EPOLLET：边缘触发模式。
  • EPOLLHUP：挂起事件。

3. 等待事件发生

使用 epoll_wait 阻塞等待事件：

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

• epfd：epoll_create 返回的文件描述符。
• events：用于存储触发的事件。
• maxevents：events 数组的最大长度。
• timeout：超时时间（毫秒）。
  • 0：立即返回。
  • -1：无限等待。

返回值：发生事件的文件描述符数量。

3. epoll 使用示例

示例：基本用法

以下代码展示如何使用 epoll 同时监控标准输入和一个文件描述符：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int epfd = epoll_create1(0); // 创建 epoll 实例
    if (epfd == -1) {
        perror("epoll_create1");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    struct epoll_event ev, events[10];
    ev.events = EPOLLIN; // 监控可读事件
    ev.data.fd = STDIN_FILENO; // 标准输入

    if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, STDIN_FILENO, &ev) == -1) {
        perror("epoll_ctl");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("等待输入...\n");

    while (1) {
        int nfds = epoll_wait(epfd, events, 10, -1); // 无限等待
        if (nfds == -1) {
            perror("epoll_wait");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        for (int i = 0; i < nfds; ++i) {
            if (events[i].data.fd == STDIN_FILENO) {
                char buffer[1024];
                int len = read(STDIN_FILENO, buffer, sizeof(buffer) - 1);
                if (len > 0) {
                    buffer[len] = '\0';
                    printf("输入内容：%s\n", buffer);
                }
            }
        }
    }

    close(epfd);
    return 0;
}

4. epoll 的触发模式

水平触发（LT：Level Triggered）

• 默认模式。
• 如果文件描述符状态未清除，每次调用 epoll_wait 都会触发事件。
• 容易实现，但性能稍低。

示例：

while (1) {
    int nfds = epoll_wait(epfd, events, 10, -1);
    for (int i = 0; i < nfds; ++i) {
        if (events[i].events & EPOLLIN) {
            read(fd, buffer, sizeof(buffer)); // 处理事件
        }
    }
}

边缘触发（ET：Edge Triggered）

• 高性能模式。
• 文件描述符状态发生变化时仅触发一次，必须读取或写入所有数据。
• 如果未处理完毕，可能会丢失事件。

实现注意：

• 必须使用非阻塞文件描述符。
• 需要循环读取或写入直到完成。

示例：

while (1) {
    int nfds = epoll_wait(epfd, events, 10, -1);
    for (int i = 0; i < nfds; ++i) {
        if (events[i].events & EPOLLIN) {
            while (1) {
                int len = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
                if (len == -1) {
                    if (errno == EAGAIN) break; // 无更多数据
                    perror("read");
                } else if (len == 0) {
                    break; // EOF
                } else {
                    // 处理数据
                }
            }
        }
    }
}

5. epoll 的优缺点总结

优点

1. 高性能：
   • 基于事件通知机制，不需要线性扫描文件描述符集合。
2. 灵活性：
   • 支持边缘触发（ET）模式，减少不必要的系统调用。
3. 无文件描述符限制：
   • 能处理大量并发连接，适用于高并发服务器。

缺点

1. 复杂性高：
   • 编程复杂，特别是边缘触发模式需要处理更多细节。
2. 仅适用于 Linux：
   • 不支持其他平台，跨平台性较差。

6. epoll 应用场景

1. 高并发服务器：
   • 如 HTTP 服务器、代理服务器。
2. 实时系统：
   • 需要快速响应大量 I/O 事件。
3. 高性能应用：
   • 网络爬虫、流媒体服务器等。