深入理解epoll模型：原理、编程接口与触发模式详解

深入理解epoll模型：原理、编程接口与触发模式详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/m0_73359068/article/details/146483073

在高并发场景下，传统的select和poll机制由于设计缺陷无法高效处理大量网络连接。epoll作为Linux内核提供的IO复用机制，通过用户态和内核态的高效协作，能够很好地解决海量并发请求问题。本文将深入解析epoll的工作原理、编程接口以及条件触发和边缘触发的区别。

1. 从内核看epoll机制

select和poll虽然能够实现IO复用的功能，但是由于设计的缺陷，select和poll无法处理海量的网络连接，并且随着网络连接数量的增加，select和poll效率越来越低。

此时急需一种更为高效的IO复用机制解决海量并发请求问题，epoll机制就是为了解决该问题而诞生的。

epoll机制分为两个部分：用户态部分和内核态部分。

用户态部分通过3个系统调用：epoll_create，epoll_ctl，epoll_wait和内核进行交互。内核态部分实现比较复杂，我们将围绕struct eventpoll内核对象来讲解。struct eventpoll对象是epoll机制实现的关键数据结构，包含三个重要成员：rbr（红黑树），rdlist（就绪队列），wq（等待队列）。

• 红黑树：用于记录用户程序注册的epoll事件。
• 等待队列：epoll线程休眠后，用于唤醒epoll线程。
• 就绪队列：socket接收和发送数据后，就绪队列会记录socket读事件和写事件。

用户程序调用epoll_create函数后，会在内核创建struct eventpoll对象，同时会返回一个文件描述符给用户，该文件描述符用于查询进程文件表，找到对应的文件，再通过文件找到struct eventpoll对象。

用户程序通过epoll_ctl函数添加，修改，删除socket事件，注册成功的socket事件会插入红黑树。socket事件添加成功后，epoll才能监听socket读写事件。

如果epoll就绪队列有就绪事件，用户程序调用epoll_wait函数会成功获取到就绪事件。如果没有就绪事件，则epoll线程陷入休眠。

当socket接收到数据后，通过socket等待队列可以唤醒休眠的epoll线程，并将socket封装成epoll就绪事件插入就绪队列。此时epoll线程已经被唤醒，epoll线程可以将就绪事件拷贝至用户程序。

2. epoll编程实战

epoll_create函数

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);

参数：size参数并没有实际意义，但一定要大于0。

返回值：成功返回epoll文件描述符；失败返回-1，并设置errno。

epoll_ctl函数

epoll_ctl函数用于向 epoll 实例中添加、修改或删除文件描述符（通常代表一个网络连接或者文件），并设置这些文件描述符感兴趣的事件类型，如可读、可写或者有异常发生。

#include <sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

• epfd：指向由epoll_create 创建的 epoll 实例的文件描述符。
• op：表示要对目标文件描述符执行的操作，可以是以下几个值之一：
• EPOLL_CTL_ADD：向 epoll 实例中添加一个新的文件描述符。
• EPOLL_CTL_MOD：修改已存在文件描述符的事件类型。
• EPOLL_CTL_DEL：从 epoll 实例中删除一个文件描述符。
• fd：需要操作的目标文件描述符。
• event：指向struct epoll_event结构的指针，该结构指定了需要监听的事件类型。

返回值：成功返回0；失败返回-1，并设置errno。

epoll_event

struct epoll_event {
    uint32_t events;
    epoll_data_t data;
}

• uint32_t events
  该字段用于存储事件的类型掩码，常见的事件类型
  事件类型 值 (十六进制) 描述
  EPOLLIN 0x001 文件描述符可读
  EPOLLOUT 0x004 文件描述符可写
  EPOLLRDHUP 0x2000 对端关闭连接或半关闭连接
  EPOLLPRI 0x010 有紧急数据可读（带外数据）
  EPOLLERR 0x008 文件描述符发生错误
  EPOLLHUP 0x0100 文件描述符挂起事件
  EPOLLET 0x0001 边缘触发模式（Edge Triggered）
  EPOLLONESHOT 0x40000000 一次性触发事件，触发后需重新注册

• data

• 源码

typedef union epoll_data {
    void *ptr;       // 指向用户自定义数据的指针
    int fd;          // 文件描述符
    uint32_t u32;    // 32位无符号整数
    uint64_t u64;    // 64位无符号整数
} epoll_data_t;

• ptr：可以指向用户自定义的结构体，方便在事件触发时快速获取与文件描述符相关的上下文信息。
• fd：通常用于存储与事件关联的文件描述符。
• u32 和 u64：可以用于存储其他类型的整数

epoll_wait函数

epoll_wait函数用于等待在 epoll 实例上注册的文件描述符上发生的事件。这个函数会阻塞调用线程，直到有事件发生或超时。

函数原型

#include <sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

• epfd
  类型：int
  含义：epoll 文件描述符，是通过 epoll_create 或 epoll_create1 创建的。它用于标识一个 epoll 实例，相当于一个事件集合的句柄。
• events
  类型：struct epoll_event *
  含义：指向一个 struct epoll_event 类型的数组，用于存储 epoll_wait 返回的就绪事件。epoll_wait 会将就绪的事件及其相关信息填充到这个数组中。
  每个 epoll_event 结构体包含两个字段：
  uint32_t events：表示事件类型，如 EPOLLIN、EPOLLOUT 等。
  epoll_data_t data：联合体，用于存储与事件相关的数据，可以是文件描述符、指针或其他整数值。
• maxevents
  类型：int
  含义：指定 events 数组的最大容量，即 epoll_wait 最多可以返回的事件数量。必须大于 0。
  如果实际就绪的事件数量超过 maxevents，epoll_wait 只会返回前 maxevents 个事件。
• timeout
  类型：int
  含义：指定 epoll_wait 的超时时间，单位为毫秒。
  如果 timeout > 0，表示等待指定的毫秒数。如果在这段时间内没有任何事件发生，函数将返回。
  如果 timeout == 0，表示非阻塞模式，epoll_wait 会立即返回，无论是否有事件就绪。
  如果 timeout == -1，表示阻塞模式，epoll_wait 会一直等待，直到有事件发生或被信号中断。

3. epoll编程流程

前面我们已经学会了使用epoll 3个接口，接下来我们要实现一个完整epoll编程示例，

该流程是一个epoll编程流程，我们按照这样一个流程去编写代码，思路会很清晰，不容易出错。

int main(int argc, char *argv[]){
    structepoll_event ev, events[MAX_EVENTS];//数组
    int sock_fd, ret = 0;
    int efd = epoll_create(10); //创建epoll实例
    ev.data.fd = sock_fd;//连接
    ev.events = EPOLLIN;//监听为可读
    //注册监听套接字事件
    epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, sock_fd, &ev);
    while (1) {
        //超时1000毫秒，获取就绪事件
        int nfds = epoll_wait(efd, events, MAX_EVENTS, 1000);
        if (nfds == -1) return-1; //获取失败退出
        elseif (nfds == 0) continue; //超时，继续下一轮事件获取
        for (int i = 0; i < nfds; i++) {//轮询就绪事件数组
            int fd = events[i].data.fd;
            if (fd == sock_fd) { //监听套接字
                new_fd = accept(sock_fd, (struct sockaddr *)&peer, &addrlen);
                setnonblocking(new_fd); //设置新套接字为非阻塞模式
                ev.data.fd = new_fd;
                ev.events = EPOLLIN|EPOLLET;
                //添加新套接字
                epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, new_fd, &ev);
            } else { //业务套接字
                if (events[i].events & EPOLLIN) { //EPOLLIN事件
                    recv(fd, recv_buf, len, 0); //业务套接字接收数据
                }
            }
        }
    }
    return 0;
}

其实明显相对比
select就像亲自下基层视察的老板，那么epoll这个老板就要显得精明的多了。他可不亲自下基层，他找了个美女秘书，他只要盯着他的秘书看就行了，呸，他只需要听取他的秘书的汇报就行了。汇报啥呢？基层有任何消息，跟秘书说，秘书汇总之后一次性交给老板来处理。这样老板的时间不就大大的提高了嘛。

4. 条件触发和边缘触发

有些人学习 epoll时往往无法正确区分条件触发( Level Trigger )和边缘触发( Edge Trigger ),但只有理解了二者区别才算完整掌握epoll

首先给 出示例帮助各位理解条件触发和边缘触发。 观察如下对话，可以通过对话内容理解条件触发事件的特点

• 条件触发
  儿子：“妈妈，我收到了5000元压岁钱。”
  妈妈：“哇，真棒！”
  儿子：“我给隔壁家秀熙买了炒年糕，花了2000元。”
  妈妈：“嗯，做得好！”
  儿子：“妈妈，我还买了玩具，剩下500元。”
  妈妈：“用完零花钱就只能挨饿喽！”
  儿子：“妈妈，我还留着那500元没动，不会挨饿的。”
  妈妈：“哦，很明智嘛。”
  儿子：“妈妈，我还留着那500元没动，我要攒起来。”
  妈妈：“哦，加油！”

• 边缘触发
  儿子 : "妈妈，我收到了 5000元压岁钱 。
  妈妈 : "嗯，再接再厉 。 "
  儿子 : ‘’• • • • • •‘’
  妈妈 :‘‘说，话呀 ! 压岁钱呢 ? 不想回答吗’’

总结
无疑是有记忆和无记忆的区别

• 水平触发（LT）：有记忆
  行为特点：
  水平触发模式下，只要文件描述符的状态满足条件（例如可读或可写），epoll 就会一直报告该事件，直到状态改变。
  例如，如果一个文件描述符可读，epoll_wait 会反复返回该事件，直到数据被读取完，或者文件描述符不再可读。
  “有记忆”：LT 模式下，epoll 会持续跟踪文件描述符的状态，只要状态满足条件，就会一直触发事件。即使程序没有立即处理事件，epoll 也会在后续调用中继续报告该事件。

• 边缘触发（ET）：无记忆
  行为特点：
  边缘触发模式下，epoll 只在文件描述符的状态发生变化时报告事件，而不是持续跟踪状态。
  例如，如果一个文件描述符从不可读变为可读，epoll_wait 会报告一次事件；但如果程序没有立即读取数据，epoll 不会再次报告该事件，直到下一次状态发生变化（例如数据被读取后又有新数据到来）。
  “无记忆”：ET 模式下，epoll 不会持续跟踪文件描述符的状态，只会报告状态的变化。如果程序没有及时处理事件，可能会错过某些状态变化，导致数据丢失或事件未被处理。

LT（水平触发）：有记忆，持续跟踪状态，适合简单场景，但可能效率较低。
ET（边缘触发）：无记忆，只报告状态变化，适合高性能场景，但需要程序更谨慎地处理事件，确保不遗漏数据。

参考文献：详解epoll