io多路复用中的epoll函数详解

epoll介绍

epoll提供了三个函数，epoll_create、epoll_ctl和epoll_wait。
1 首先创建一个epoll对象，
2 然后使用epoll_ctl对这个对象进行操作（添加、删除、修改），把需要监控的描述符加进去，这些描述符将会以epoll_event结构体的形式组成一颗红黑树
3 接着阻塞在epoll_wait，进入大循环，当某个fd上有事件发生时，内核将会把其对应的结构体放入一个链表中，返回有事件发生的链表。

epoll的三个函数介绍

    int epoll_create(int size);
    - 参数：
    size : 目前没有意义了。随便写一个数，必须大于0
    - 返回值：
    -1 : 失败
    > 0 : 文件描述符，操作epoll实例的


    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 
    };

    常见的Epoll检测事件：
        - EPOLLIN
        - EPOLLOUT
        - EPOLLERR
    // 对epoll实例进行管理：添加文件描述符信息，删除信息，修改信息
    int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
    - 参数：
        - epfd : epoll实例对应的文件描述符
        - op : 要进行什么操作
            EPOLL_CTL_ADD: 添加
            EPOLL_CTL_MOD: 修改
            EPOLL_CTL_DEL: 删除
        - fd : 要检测的文件描述符
        - event : 检测文件描述符什么事情
    // 检测函数
    int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
    - 参数：
        - epfd : epoll实例对应的文件描述符
        - events : 传出参数，保存了发送了变化的文件描述符的信息
        - maxevents : 第二个参数结构体数组的大小
        - timeout : 阻塞时间
            - 0 : 不阻塞
            - -1 : 阻塞，直到检测到fd数据发生变化，解除阻塞
            - > 0 : 阻塞的时长（毫秒）
    - 返回值：
        - 成功，返回发送变化的文件描述符的个数 > 0
        - 失败 -1

使用epoll函数监听多个文件描述符的服务端程序

水平触发模式

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/epoll.h>
int main(char* argc,int argv){
    //创建socket
    int lfd=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);

    //绑定
    struct sockaddr_in saddr;
    saddr.sin_port=htons(9999);
    saddr.sin_family=AF_INET;
    inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1",&saddr.sin_addr.s_addr);
    bind(lfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));

    //监听
    listen(lfd,8);

    //使用epoll_creat()创建epoll实例
    int epfd=epoll_create(1);

    //将监听的的文件描述符添加到epoll实例中
    struct epoll_event epev;
    epev.events=EPOLLIN;
    epev.data.fd=lfd;
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,lfd,&epev);

    struct epoll_event epevs[100];//100个epoll_event
    while(1){
        //调用poll系统函数，让内核帮忙检测文件描述符是否有数据
        int ret=epoll_wait(epfd,epevs,sizeof(epevs)/sizeof(struct epoll_event),-1);//阻塞
        if(ret==-1){
            perror("epoll_wait");
            exit(0);
        }else if(ret==0){
            //超时时间到了   没有检测到  就为0  
            //程序中设置为永久阻塞  所以不会出现这种情况
            continue;
        }else{
            printf("检测到可读的文件描述符个数:%d\n",ret);
            for(int i=0;i<ret;++i){
                if(epevs[i].data.fd==lfd){
                    // 表示有新的客户端连接进来了
                    struct sockaddr_in cliaddr;
                    int len = sizeof(cliaddr);
                    int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);

                    //获取客户端信息
                    char clientIp[16];
                    inet_ntop(AF_INET,&cliaddr.sin_addr.s_addr,clientIp,sizeof(clientIp));
                    unsigned int clientPort=ntohs(cliaddr.sin_port);
                    printf("客户端ip:%s,端口:%d\n",clientIp,clientPort);

                    //将通信的文件描述符添加到epoll实例中去
                    struct epoll_event epev;
                    epev.events=EPOLLIN;
                    epev.data.fd=cfd;
                    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,cfd,&epev);
                }else if(epevs[i].events&EPOLLIN){
                    //有数据
                    char recvBuf[100]={0};
                    int len=read(epevs[i].data.fd,recvBuf,sizeof(recvBuf));
                    if(len>0){
                        printf("read buf = %s\n", recvBuf);
                        write(epevs[i].data.fd, recvBuf, strlen(recvBuf) + 1);
                    }else if(len==0){
                        printf("client close...\n");
                        epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,epevs[i].data.fd,NULL);//将该文件描述符从epoll实例中删除
                        close(epevs[i].data.fd);
                    }else{
                        perror("read");
                        exit(-1);
                    }
                }
            }
        }
    }
    close(lfd);
    close(epfd);
    return 0;
}

边沿触发模式

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/epoll.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
//et模式的epoll  默认模式
int main(char* argv,int argc){
    int lfd=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);

    struct sockaddr_in saddr;
    saddr.sin_port=htons(9999);
    saddr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;
    saddr.sin_family=AF_INET;

    bind(lfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));

    listen(lfd,8);

    int epfd=epoll_create(100);
    struct epoll_event epev;
    epev.data.fd=lfd;
    epev.events=EPOLLIN;
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,lfd,&epev);

    struct epoll_event epevs[128];
    while(1){
         //调用poll系统函数，让内核帮忙检测文件描述符是否有数据
        int ret=epoll_wait(epfd,epevs,128,-1);//阻塞
        if(ret==-1){
            perror("epoll_wait");
            exit(-1);
        }else if(ret==0){
            //超时时间到了   没有检测到  就为0  
            //程序中设置为永久阻塞  所以不会出现这种情况
            continue;
        }else{
            printf("检测到可读的文件描述符个数:%d\n",ret);
            for(int i=0;i<ret;++i){
                if(epevs[i].data.fd==lfd){
                     // 表示有新的客户端连接进来了
                    struct sockaddr_in cliaddr;
                    int len = sizeof(cliaddr);
                    int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);

                    //获取客户端信息
                    //char clientIp[16];
                    //inet_ntop(AF_INET,&cliaddr.sin_addr.s_addr,clientIp,sizeof(clientIp));
                    //unsigned int clientPort=ntohs(cliaddr.sin_port);
                    //printf("客户端ip:%s,端口:%d\n",clientIp,clientPort);

                    //设置cfd属性非阻塞
                    int flag=fcntl(cfd,F_GETFL);
                    flag|=O_NONBLOCK;
                    fcntl(cfd,F_SETFL,flag);

                    
                    //将通信的文件描述符添加到epoll实例中去
                    epev.data.fd=cfd;
                    epev.events=EPOLLIN|EPOLLET;//设置边沿触发
                    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,cfd,&epev);
                }else if(epevs[i].events&EPOLLIN){
                    //有数据
                    char recvBuf[5]={0};
                    int len=0;
                    while((len=read(epevs[i].data.fd,recvBuf,sizeof(recvBuf)))>0){
                        //printf("read buf = %s\n", recvBuf);
                        write(STDOUT_FILENO, recvBuf, len);
                        write(epevs[i].data.fd, recvBuf, len);
                    }
                    if(len==0){
                        printf("client close...\n");
                        epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,epevs[i].data.fd,NULL);//将该文件描述符从epoll实例中删除
                        close(epevs[i].data.fd);
                    }else if(len==-1){
                        if(errno == EAGAIN) {//在非阻塞的时候 表示没有读到数据  应该忽略  在阻塞的时候是读写超时
                            printf("data over.....\n");
                        }else {
                            perror("read");
                            exit(-1);
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }
    close(lfd);
    close(epfd);
    return 0;
}

Epoll 的两种工作模式：

LT 模式 （默认水平触发）

假设委托内核检测读事件 -> 检测fd的读缓冲区
读缓冲区有数据 - > epoll检测到了会给用户通知
a.用户不读数据，数据一直在缓冲区，epoll 会一直通知
b.用户只读了一部分数据，epoll会通知
c.缓冲区的数据读完了，不通知
LT（level - triggered）是缺省的工作方式，并且同时支持 block 和 no-block socket。在这
种做法中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的 fd 进行 IO 操
作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的。

ET 模式（边沿触发）

假设委托内核检测读事件 -> 检测fd的读缓冲区
读缓冲区有数据 - > epoll检测到了会给用户通知
a.用户不读数据，数据一致在缓冲区中，epoll下次检测的时候就不通知了
b.用户只读了一部分数据，epoll不通知
c.缓冲区的数据读完了，不通知

ET（edge - triggered）是高速工作方式，只支持 no-block socket。在这种模式下，当描述
符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉你。然后它会假设你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，直到你做了某些操作导致那个文件描述
符不再为就绪状态了。但是请注意，如果一直不对这个 fd 作 IO 操作（从而导致它再次变成
未就绪），内核不会发送更多的通知（only once）。
ET 模式在很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数，因此效率要比 LT 模式高。epoll
工作在 ET 模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写
操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

ET模式下每次wrile或read需要循环write或read直到返回EAGAIN错误。以读操作为例，这是因为ET模式只在socket描述符状态发生变化时才触发事件，如果不一次把socket内核缓中区的数据读完，会导致socket内核缓冲区中即使还有一部分数据，该socke的可读事件也不会被触发，根据上面的讨论若ET模式下使用阻塞IO，则程序一定会阻塞在最后一次write或read操作，因此说ET模式下一定要使用非阻塞IO

Epoll的优点

1：select，poll实现在用户程序在遍历哪些文件描述符就绪，而epoll会返回就绪链表，直接访问即可，这节省了CPU时间。

2：select，poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次，而epoll只要一次拷贝，这也能节省不少的开销。